《金属燃料电池》是“先进电化学能源存储与转化技术丛书”分册之一。本书围绕金属燃料电池这一新能源技术，总结国内外相关技术进展并结合编著者在电催化材料方面相关成果，详细介绍了金属燃料电池技术及其关键材料，对目前主流金属燃料电池体系进行了详细叙述。本书从原料、器件、性能、前沿多角度阐述了金属燃料电池的专业知识，学科领域涵盖矿物学、冶金学、材料学、电化学新能源技术等。
本书可供电化学、新能源技术、材料学、矿物学、冶金学等相关学科领域的研究人员、技术人员参阅，也可作为高等院校相关专业研究生及高年级本科生的参考书。

第1章 绪论1
1.1　能源危机与能源安全2
1.2　新能源的分类与发展概况3
1.2.1　太阳能3
1.2.2　水能3
1.2.3　风能3
1.2.4　地热能4
1.2.5　潮汐能4
1.2.6　生物质能4
1.2.7　核能5
1.2.8　氢能5
1.3　电池概述与发展概况5
1.3.1　氢氧燃料电池7
1.3.2　金属燃料电池9
参考文献11

第2章 金属燃料电池概述13
2.1　金属燃料电池的基本原理与电池结构14
2.2　金属燃料电池的空气阴极及催化材料17
2.2.1　空气阴极的基本结构17
2.2.2　空气阴极的工作原理及电催化过程概述21
2.2.3　空气阴极的性能评价及催化材料研究进展24
2.2.4　空气阴极催化材料的挑战与发展29
参考文献30

第3章 铝燃料电池33
3.1　铝资源34
3.1.1　铝的性质34
3.1.2　铝资源概况35
3.1.3　铝的制备技术35
3.1.4　铝的应用38
3.2　铝燃料电池概述38
3.2.1　铝燃料电池的基本原理38
3.2.2　铝燃料电池的结构39
3.2.3　铝燃料电池的特点40
3.3　铝燃料电池研究进展41
3.3.1　铝金属阳极41
3.3.2　铝燃料电池的电解液及添加剂46
3.3.3　铝燃料电池的阴极及催化材料50
3.4　铝燃料电池燃料的回收与再生56
3.5　铝燃料电池的应用与发展57
3.5.1　铝燃料电池的应用57
3.5.2　铝燃料电池的发展59
参考文献61

第4章 镁燃料电池67
4.1　镁资源68
4.1.1　镁的性质68
4.1.2　镁资源概况69
4.1.3　镁制备技术71
4.1.4　镁提纯技术72
4.1.5　镁合金的应用74
4.2　镁燃料电池概述77
4.2.1　镁燃料电池的基本原理77
4.2.2　镁燃料电池的结构78
4.2.3　镁燃料电池的特点80
4.3　镁燃料电池研究进展81
4.3.1　镁电极研究现状81
4.3.2　电解质研究现状86
4.3.3　镁燃料电池的催化材料91
4.4　镁燃料电池的绿色回收和再生95
4.4.1　MgO 再生制镁工艺96
4.4.2　镁循环再生的意义和挑战97
4.5　镁燃料电池的应用与展望98
4.5.1　镁燃料电池的应用98
4.5.2　镁燃料电池的展望100
参考文献101

第5章 锂燃料电池106
5.1　锂资源107
5.1.1　锂的性质107
5.1.2　锂资源概况108
5.1.3　锂的制备技术109
5.1.4　锂的应用111
5.2　锂燃料电池概述111
5.2.1　锂燃料电池的基本原理111
5.2.2　锂燃料电池的结构112
5.2.3　锂燃料电池的特点112
5.3　锂燃料电池研究进展114
5.3.1　非水体系锂燃料电池114
5.3.2　离子液体体系锂燃料电池118
5.3.3　固态电解质体系锂燃料电池122
5.3.4　混合和水系电解质锂燃料电池128
5.4　锂燃料电池的应用与发展130
参考文献131

第6章 锌燃料电池136
6.1　锌资源137
6.1.1　锌的性质137
6.1.2　锌矿产资源138
6.1.3　锌的制备技术138
6.1.4　锌的应用139
6.2　锌燃料电池概述141
6.2.1　锌燃料电池基本原理141
6.2.2　锌燃料电池的结构141
6.2.3　锌燃料电池的分类142
6.2.4　锌燃料电池的性能与特点145
6.3　锌燃料电池研究进展146
6.3.1　锌金属阳极研究进展146
6.3.2　锌燃料电池的电解质及添加剂研究进展153
6.3.3　锌燃料电池的空气阴极及催化材料159
6.4　锌燃料电池的回收与再生167
6.5　锌燃料电池的应用与发展169
6.5.1　锌燃料电池的常规应用169
6.5.2　展望和总结173
参考文献174

第7章 金属-CO2 电池180
7.1　金属-CO2 电池概述181
7.2　各类金属-CO2 电池的基本原理及研究进展183
7.2.1　L-i CO2 电池研究进展 184
7.2.2　Zn-CO2 电池研究进展187
7.2.3　Na-CO2 电池及相关研究190
7.2.4　A-l CO2 电池及相关研究 192
7.2.5　Mg-CO2 电池及相关研究193
7.2.6　K-CO2 电池及相关研究196
7.3　总结与展望199
参考文献201

第8章 外场/流体辅助空气电池205
8.1　外场/流体辅助空气电池基本原理206
8.2　外场辅助空气电池207
8.2.1　光辅助金属燃料电池207
8.2.2　磁场辅助金属燃料电池215
8.2.3　热场辅助金属燃料电池218
8.2.4　声场辅助金属燃料电池221
8.2.5　其他类型杂化电池223
8.3　流体辅助金属燃料电池225
8.4　总结与展望231
参考文献232
　
索引237

能源是当今经济社会的根本命脉。当前，能源匮乏与化石燃料消耗所引起的能源与环境问题日益加剧。面对正在深刻变革的世界能源格局，我国提出“2030碳达峰、2060 碳中和”的“双碳” 目标，强调加快推动清洁能源高效利用，促进能源结构转型升级。因此，大力发展新能源技术对于推动我国能源结构持续优化和实现“双碳”目标具有重大战略意义。金属燃料电池仅需消耗负极金属及空气中的氧气或二氧化碳即可实现电能输出，成本低廉且绿色环保，是一种极具前景的新能源技术。同时，金属燃料电池不仅能通过补充金属燃料来实现机械充电，部分体系也能对风力、光伏产生的电能进行直接储存，这对于摆脱化石能源限制并充分利用二次能源具有重要价值。此外，失效电池中残余的金属燃料及金属化合物产物能在矿冶过程中重新产生金属燃料并实现资源循环。因此，依托我国丰富的有色金属资源及完备的矿冶体系，发展金属燃料电池对于摆脱化石能源、助力“双碳”目标实现、平衡能源安全具有重大现实意义。
本书旨在提高读者对于金属燃料电池关键材料和器件设计的系统认识，协助培养金属燃料电池相关专业的科研人才和技术人才，并为我国金属燃料电池的生产、科研及相关学科发展、教学提供参考和指导。为此，本书从材料、器件、性能、前沿多角度阐述了金属燃料电池的专业知识，学科领域涵盖矿物学、冶金学、材料学、新能源技术等。本书同时聚焦前沿科学研究，基于目前最先进金属燃料电池基础研究领域现状，从科学研究角度提出金属燃料电池技术开发依据与准则，有助于加深相关领域研究人员对金属燃料电池的技术理解，推动我国相关技术研究与技术革新。
本书围绕金属燃料电池这一新能源技术，系统总结了国内外相关技术进展并结合编著者在电催化材料方面取得的成果，详细介绍了金属燃料电池技术及相关催化材料。本书共8 章：第1 章简要介绍新能源技术和电池技术发展背景，并介绍金属燃料电池技术特点与优势；第2 章对金属燃料电池的基本原理与电池结构进行介绍，并重点介绍空气阴极的催化过程与研究进展； 第3～ 6 章从金属资源、基本原理、研究进展和技术应用等方面系统阐述了四种金属（铝、镁、锂、锌）燃料电池体系；第7、8 章分别介绍了金属-CO2 电池和外场/流体辅助空气电池这两类新型电池的基本原理和研究进展。
本书基于编著者团队在电催化材料的可控制备及优化调控、构效关系与失效机制探究，以及金属燃料电池器件开发等方面多年的研究基础，多角度阐述金属燃料电池的专业知识，并对金属燃料电池未来发展方向进行总结与讨论，是团队的集体智慧结晶。诚挚感谢课题组各位老师同学的科研贡献，本书由姚敏杰负责统稿和核校，特别感谢张士雨、陈赞宇、崔鹏、任茜茜、苏文哲、王星凯、李金阳、高梦、汪鑫、陈文达、邹怡啸、廖康等在本书撰写、修改、核校过程中给予的大力支持与帮助。衷心感谢科技部、国家自然科学基金委员会和天津大学对相关研究的长期资助和对本书出版的大力支持。特别感谢化学工业出版社在本书出版过程中给予的大力帮助。
由于金属燃料电池涉及材料、物理和化学等多学科的概念和理论，是基础研究和应用技术的结合，同时金属燃料电池仍处在不断发展之中，新概念、新知识、新理论不断涌现，书中难免有不妥之处，诚恳期望读者批评指正。

编著者