综述：用于便携式电源的金属-空气电池：通过系统评价和文献计量学方法的结合实现的技术进展与前景

《Chemical Physics Impact》：Metal–Air Batteries for Portable Power: Advances and Prospects using a Combination of the Systematic and Bibliometric Review Methods

　　以法莲·博纳·阿格耶库姆（Ephraim Bonah Agyekum）、巴瑟姆·阿布·兹奈德（Basem Abu Zneid）、西帕纳·普拉维恩库马尔（Seepana Praveenkumar）、阿尔曼·阿明（Arman Ameen）、法尔汗·拉夫塔·拉希德（Farhan Lafta Rashid）和艾哈迈德·卡迪姆·侯赛因（Ahmed Kadhim Hussein）共同撰写的论文《金属-空气电池在便携式电源中的应用》发表在伊斯坦布尔奥坎大学图兹拉校区（Istanbul Okan University, Tuzla Campus, 34959 Tuzla, Istanbul, Turkey）。摘要指出，金属-空气电池（Metal-Air Batteries, MABs）凭借其轻量化设计、高理论能量密度和潜在的成本效益，正成为下一代储能系统的候选者。本文通过系统综述和文献计量学方法，梳理了MABs在便携式电源领域的发展脉络、现状及趋势。过去20年的文献研究表明，该研究领域发展迅速，国际合作日益紧密，年出版物增长率达19.13%，国际合著率高达26.72%。因子分析和关键词分析均表明，锌-空气电池（Zinc-Air Batteries）因其易获取性、低成本和环保特性而成为研究热点。此外，柔性电子技术、水凝胶、凝胶聚合物电解质、密度泛函理论以及新型合金也成为研究重点，反映了从基础反应研究向应用驱动的材料和设备设计的转变。研究还揭示了两个跨领域方向：多功能催化剂、固态/准固态电解质以及柔性架构作为主流趋势，而聚合物电解质/凝胶聚合物电解质则是一个亟待开发的领域。综述指出，将这些先进技术与高性能催化剂及混合电解质结合使用，结合计算筛选与操作表征技术，并促进发达国家和发展中国家之间的合作，有望加速实验室概念验证向高能量、可扩展且机械兼容的金属-空气电池的转化，从而服务于下一代便携式和可穿戴电源系统。

**1. 引言**
随着人们对化石燃料环境影响的认识加深，以及加强对电力网络可靠性和可持续性的需求，全球对储能技术的关注日益增强。储能技术解决了风能和太阳能等可再生能源的间歇性问题，提高了电网对需求变化的响应速度，减少了对应急电源的依赖[1],[2],[3],[4],[5],[6]。储能系统的有效性取决于其对需求变化的响应能力、储能容量、储电过程中的能量损失率以及充电便捷性。太阳能光伏系统仅在白天发电，且日产量不稳定；而风能虽然分布广泛，但性能存在显著日变化[7],[8],[9],[10]。锂离子电池（Lithium-Ion Batteries, LIBs）具有高比能量（通常为150–270 Wh/kg，示范原型可达约400 Wh/kg）、长循环寿命（优化条件下超过4000次循环）和高往返效率（80–97%）。然而，锂资源的短缺和高昂的提取成本，以及其在多变气候条件下的能量密度不足限制了其广泛应用[11],[12],[13],[14],[15],[16],[17],[18]。因此，研究人员正在积极探索替代材料以克服这些限制。同时，随着电动汽车使用的增加，锂离子电池的可回收性和适应性也在制造和用户领域受到关注。现有电池系统存在的问题与新材料的突破促使人们致力于开发革命性的电池系统，这些新系统更注重紧凑性、耐用性和可持续的生命周期终结方案，而非单纯追求最大能量密度[13,19]。金属-空气电池（MABs）作为封闭系统电池（如锂离子电池）的替代方案而受到青睐。MABs采用半开放式结构，以空气作为正极材料，同时借鉴了燃料电池的概念，使用金属而非氢气作为燃料，旨在实现高能量密度[20],[21],[22]。根据正极类型和可充电性，MABs可分为一次型、二次型或机械可充电型，并按电解质类型进一步分类为水基、非水基非质子型、混合型和固态型。所使用的金属、电解质和催化剂材料决定了电池的具体电化学性质和反应产物。水基（中性或碱性）电解质的电池通常为一次性使用，或通过更换正极或补充电解质进行物理充电。例如，用于助听器的一次型锌-空气电池，以及可通过更换部件充电的镁-空气和铝-空气电池，常用于铁路和导航信标。然而，完全可充电的金属-空气电池（尤其是非水基非质子型锂-空气电池）仍面临诸多研究挑战[23,24]。表1列出了主要金属-空气电池的性能指标。

**表1. 主要金属-空气电池的性能指标**
| 电池类型 | 理论能量密度 (Wh/kg) | 实际能量密度 (Wh/kg) | 功率密度 (mW/cm2) | 开路电压 (V) | 可充电性 | 循环寿命 | 电解质类型 | 技术成熟度 | 主要优势 | 关键限制 |
|--------------|--------------|--------------|--------------|-------------|------------|--------------|--------------|------------------|----------------------|
| Zn-空气 | ~11,000–13,000 | <500–1000 | <10 | 可充电（有限） | <100次循环 | 有机/固态 | 实验室规模 | 非常高的能量密度；轻量化 | 电解质分解、循环寿命短、氧气渗透 |
| Mg-空气 | ~8,000–8,100 | 1,000–1,300 | 50–200 | 可充电（二次型） | 100–500次循环 | 水基碱性 | 商业化（一次型），正在发展的二次型 | 安全、低成本、成熟 | 腐蚀、氢气释放、需更换组件 |
| Al-空气 | ~6,000–6,800 | 1,000–2,200 | 5–50 | 可充电（一次型，有限） | 低 | 水基 | 早期阶段 | 高电压；材料易得 | 严重腐蚀、效率低 |
| Fe-空气 | ~1,000 | 60–150 | <50 | 可充电 | >1,000次循环 | 碱性水基 | 试点/商业应用 | 长寿命；低成本 | 低能量密度；反应缓慢 |
| Na-空气 | ~1,600 | <300–500 | <20 | 可充电（有限） | <100次循环 | 有机/固态 | 实验室阶段 | 钠资源丰富 | 不稳定、副反应 |
| K-空气 | ~900–1,200 | <200 | <20 | 可充电 | 新兴技术 | 极低能量密度 | 有机粉末 | 研发初期 | 反应速度快但稳定性差 |

**2. 金属-空气电池概述与工作原理**
金属-空气电池是一种先进的电化学储能装置，具有高理论能量密度，适用于下一代储能需求。它们使用轻质金属（如锂、锌、铝、镁或钠）作为正极材料，空气中的氧气作为负极反应物，从而显著减轻重量并提升效率，特别适用于需要高功率密度比的应用场景（如电动汽车和可再生能源存储[51]。与传统电池不同，MABs利用大气中的氧气作为负极反应物，减少了固态或液态负极的需求[1]。其工作原理基于电极处的氧化还原反应：放电时金属在正极发生氧化，同时在负极发生还原[57]。MABs通过电极处的氧化还原反应将化学能转化为电能。与传统电池内部储存正负极反应物的方式不同，MABs直接利用空气中的氧气。金属-空气电池因其新颖的架构而具有高能量储存潜力，该架构降低了电池重量并提升了理论能量密度。其电化学过程包括负极的氧化反应（氧气还原反应，ORR）和正极的氧化反应（金属溶解于电解质中），从而产生金属氢氧化物、金属氧化物或过氧化物[56,59,60]。在充电过程中，这些反应可逆进行，正极发生金属沉积，负极发生氧气释放反应（OER）。这些反应的可逆性和效率对电池的耐久性、循环寿命和能量效率至关重要。由于不同金属的电化学特性，研究人员正在探索锂、钠、锌、铝等材料的应用[7,56]。

**3. 材料与方法**
文献计量学（Bibliometrics）是一种跨学科方法，结合语言学、数学和统计学技术，通过期刊文献研究并绘制研究地图。以往关于MABs的综述通常采用传统文献回顾或单独的文献计量分析，但缺乏系统性和定量综合[8,34]。本研究旨在通过整合系统综述和文献计量学方法，全面分析MABs在便携式电源应用中的现状和趋势。与仅关注特定组件（如电极材料或单一电池类型）的以往研究不同，本综述从应用角度提供了整体视角。此外，本文还总结了现有文献，揭示了该领域的知识结构、研究空白及未来发展趋势，通过对作者关键词、主题变化和研究模式的深入分析来实现[33]。这种结合方法有助于从多维度视角理解问题，并为未来的MABs研究奠定基础。

**4. 结论**
金属-空气电池作为下一代储能解决方案展现了巨大潜力。尽管实际应用中仍存在一些挑战（如反应速度慢和电解质稳定性问题），但材料科学和电化学领域的持续研究有望提升其在大规模和便携式应用中的可行性[55,56]。通过结合系统综述和文献计量学方法，本研究为MABs的发展提供了系统性的认识和路径规划，有助于推动灵活、高性能的金属-空气电池技术的进步。知识图谱可以通过使用文献计量分析技术来构建，以识别研究领域内各种对象之间的模式和关系[[62], [63], [64]]。由于Scopus对科学和技术文献的广泛覆盖，因此被选为本研究的数据来源。然而，由于Google Scholar和ResearchGate在文献计量结果的可靠性和可重复性方面存在问题，因此没有使用这些平台或数据库[65]。搜索策略使用了以下查询：TITLE-ABS-KEY ("metal-air battery*" OR "metal oxygen battery*" OR "Li-air" OR "lithium-air" OR "Zn-air" OR "zinc-air" OR "Na-air" OR "sodium-air" OR "Al-air" OR "aluminum-air") AND ("portable power" OR "portable device*" OR "micro power" OR "wearable*" OR "low-power electronic*")。搜索时间区间为2000–2025年，最初在2025年8月29日得到了489条记录。通过对材料科学、化学、工程、能源、化学工程、物理、天文学、多学科研究和环境科学的主题过滤后，数据集减少到了483篇文档。进一步将分析范围缩小到仅包括会议论文和期刊文章后，文档数量减少到398篇。将搜索限制在英文出版物后，数据集进一步减少到393篇，并下载这些文档进行分析。数据检索过程的流程图如图2所示。所有文献计量可视化结果都是使用R语言的Bibliometrix包和VOSviewer软件制作的。

图2. 用于分析的数据检索流程图。

4. 结果与讨论
对这一主题的文献计量回顾，如图3所示的描述性统计数据显示，该领域经历了巨大的增长，并形成了强大的合作研究文化。最初两年内出版物的稀缺性，随后随着研究的稳步发展，从120个独立来源获得了393篇文档，这凸显了金属-空气电池研究的新性和跨学科特性，这种电池越来越被视为高能量密度便携式电源系统的可持续解决方案。19.13%的年增长率表明了全球对该领域兴趣的上升，因为迫切需要替代传统的锂离子电池。此外，大量作者参与（1,959人）和高水平的共同作者合作（每篇文章21.6位作者）表明了该研究的高度合作性质，这可能是由于大型联盟、多机构以及跨学科的努力。全球范围内26.72%的共同作者比例也验证了该领域与全球对清洁高效能源存储系统的兴趣是一致的。另外，相对较短的平均年龄（3.7年）和每篇文章平均63.02次引用次数表明研究成果是近期且具有广泛影响力的，对科学界产生了深远影响，并促进了后续研究的工作。总体而言，这些数据表明金属-空气电池研究是一个正在快速发展的、高影响力的全球性合作学科，对其在未来便携式电源技术中的重要性具有重要意义。

图3. 用于分析的数据统计摘要。

此外，如图4所示，过去七年来，研究金属-空气电池的相关出版物数量显著增加，2024年达到了新的高峰（57篇），2025年已有47篇，显示出这一趋势的持续增长。这种趋势可能是由于全球对于解决锂离子电池在能量密度、可持续性和成本问题方面的先进能源存储系统的需求所推动的。出版物数量的持续增长也反映了科学界对改进便携式电源技术的承诺，这与迫切需要创新的能源存储解决方案以促进可再生能源的更深入整合和电气化的加速步伐密切相关。

图4. 年度出版物数量。

4.1. 作者关键词的词云和网络可视化分析
词云分析和作者关键词网络可视化是研究概览的有用工具，可以揭示一个领域的主题景观和智力设计。词云通过频繁出现的关键词直接识别出主要的研究主题和趋势，而网络可视化图表则显示关键词的共现情况，表明主题之间的联系、主题群的形成以及存在的空白或重叠之处。结合使用这些工具，研究人员可以识别出核心研究领域、重点转移以及未来研究的潜在方向[[66], [67], [68]]。因此，本节将详细讨论使用Scopus数据库获得的作者关键词的词云和网络可视化结果。

4.1.1. 作者关键词的词云分析
如图5所示的作者关键词词云分析显示，该领域的主要研究主题是锌-空气电池、电催化和与氧气相关的反应（如ORR和OER）。锌-空气电池的流行程度表明，由于其丰富的资源、成本效益以及相对于锂或铝等替代品的优越性，它们被归类为最受探索和技术上最可行的金属-空气电池子类[[69], [70], [71], [72]]。类似地，电催化剂、双功能电催化剂、催化活性、电极和掺杂等主题的存在强调了催化剂和电极的设计与工程在提高效率和循环寿命方面的关键作用。对氧气反应的日益关注再次凸显了ORR/OER缓慢动力学的问题，限制了充放电效率。此外，“可穿戴技术”作为一个新出现的关键词，表明应用研究领域正从基础研究转向下一代便携式和灵活设备的金属-空气电池。

另一方面，较少出现但正在新兴的主题（如密度泛函理论（DFT）、石墨烯、水凝胶、凝胶聚合物电解质、钌和钴化合物以及铁合金）反映了新兴材料和计算建模正在填补当前空白。例如，DFT研究指出计算化学在原子尺度上设计和预测高性能催化剂的应用正在增加。同时，新型碳纳米结构（碳纳米管、石墨烯）和软物质系统（水凝胶、凝胶聚合物电解质）正在被探索以改善离子导电性、弹性和稳定性。同样，关于不同合金基电极（如钴、铁、钌）的研究表明了偏离标准锌系统的努力，这些系统可能具有更高的性能或成本优势。反应动力学、开路电压和能量效率成为热门词汇，这也表明人们正朝着提高机制理解和最大化性能的方向发展。总之，这些发现表明，尽管锌-空气电池目前处于领先地位，但该领域正朝着基于材料的、跨学科的创新方向发展，为催化剂设计、电解质工程和灵活设备的集成提供了许多有希望的机会，这些将是未来便携式电源技术的发展特征。

4.1.2. 作者主题的共现分析
作者关键词的共现网络如图6所示。通过至少出现10次的关键词，共获得了5个主题群。对各主题群的详细分析如下：

图6. 作者使用主题的网络可视化（共现分析）。
- 第1群：全固态、双功能催化剂、双功能电催化剂、二元合金、碳纤维、碳纳米纤维、碳化、催化剂活性、钴、钴合金、晶体材料、密度泛函理论、掺杂碳、掺杂（添加剂）、电催化、电催化活性、电解还原、电纺丝、演变反应、柔性锌-空气电池、铱化合物、铁合金、铁化合物、机械灵活性、金属纳米颗粒、金属有机框架（MOFs）、氮掺杂、氮掺杂碳、有机金属、氧气、OER、ORR、铂化合物、多孔材料、贵金属、反应动力学、钌化合物、合成（化学）、锌空气电池（ZABs）和锌合金。这个群组揭示了材料创新、催化设计和设备工程之间的相互关联主题。ZABs、双功能催化剂/电催化剂、ORR和OER等关键词的共现表明，必须设计新的催化剂来突破缓慢的氧气动力学问题。掺杂碳（氮掺杂、氮掺杂）、金属纳米颗粒、MOFs和二元/贵金属合金（钴、铁、钌、铂、铱）等关键词群表明了人们对低成本、高活性催化材料的探索，这些材料需要在可扩展性、稳定性和性能之间找到平衡[[73], [74], [75], [76], [77], [78]]。同时，“柔性锌空气电池”、“机械灵活性”、“电纺丝”和“多孔/碳纳米结构”等术语表明，研究正朝着轻量化、长寿命和灵活的能源存储设备方向发展，这些设备具有可穿戴和便携性应用的特点。此外，与密度泛函理论、有机金属和合成方法的联系表明，计算机建模和构建的化学路径对于实现合理的材料设计和加速发现至关重要。实际上，金属-空气电池的未来涉及将新兴催化材料与创新的结构设计相结合，以突破氧气反应的限制，并实现新的形式因素，从而支持从实验室创新到便携式和灵活电源系统的实际应用。例如，最近的研究确定了多种构建双功能电催化剂的方法。Kumar和Fu [79]通过将Mn3O4与NiAl-LDH结合，实现了平衡的ORR/OER性能，如图7所示，其电压达到1.395 V，容量为848 mAh/gzn，长期稳定性超过300小时，并且能够在低于零度的温度下运行。

图7. (a–b) 不同放大倍率下的Mn3O4@NiAl-LDH (1:1) 形态。(c–d) 不同尺度下的Mn3O4@NiAl-LDH (1:1) TEM图像。指定区域的HRTEM图片。(e–f) 经[79]许可复制。Elsevier版权号：6257011109191。
Ambriz-Peláez等人[80]还研究了不含钴的NiMn LDH以及氮掺杂的碳载体和缺陷工程。该研究报道称，增强了ORR动力学，减小了OER–ORR电位差，并在180次循环中实现了稳定的循环性能，尽管其功率密度较低，为64 mW/cm2。Hu等人[81]的另一项研究使用了Zr2ON2@NiFe LDH异质结构（图8），展示了172 mW/cm2的功率密度和443小时的优异长期稳定性。总体而言，这三项研究表明，成分耦合、缺陷/界面工程和异质结构设计有效地克服了双功能性的限制，为高效、持久且低成本的锌空气电池正极提供了有前景的路径。

图8. Zr2ON2@NiFe LDH微观结构。(a–c) 和(d–e) 的SEM (Scanning Electron Microscope) 和 TEM (Transmission Electron Microscope) 图像。(f–g) Zr2ON2@NiFe LDH结构的HR-TEM (High-Resolution TEM) 图像。这是Zr2ON2@NiFe LDH异质结构的EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) 组成图。(i) Zr、O、N、Ni和Fe元素的映射图像。经[81]许可复制。Elsevier版权号：6257011345221。
Wang等人[82]和Pang等人[83]在MAB技术方面也取得了互补的进展，旨在提高能量密度、稳定性和实际应用中的实用性。Wang等人[82]重点介绍了一种Sn-air系统，报道了一种灵活的Cu-PVDF@Sn阳极，能够有效抑制氢气的释放和“死Sn”的形成，具有92.61%的高库仑效率、超过800小时的循环寿命以及优异的环境耐久性（-15至60°C）和504 Wh·kg-1的高能量密度。然而，Pang等人[83]研究了一种硅空气系统（SAB），使用FeMo-NC催化剂和不对称酸碱电解质来提高反应动力学并减少极化损失，实现了1.7 V的稳定放电电压和188小时的放电时间，以及300.2 Wh·kg-1的能量密度。此外，准固态SAB（QSSSAB）还展示了更好的安全性、便携性和设备兼容性。总体而言，虽然Sn-air电池旨在实现在不同条件下的机械耐用性和灵活性，但硅空气电池则更侧重于高电压稳定性以及在紧凑外形因素下的安全性，使得这两种系统都成为下一代特定应用和高性能储能设备的潜在候选者。

第二组主题包括：铝、阳极、交联、锂电池、电解质、能量、能源效率、柔性电池、柔性电子器件、柔性锌电池、凝胶聚合物电解质、石墨烯、更高能量密度、水凝胶电解质、氢键、离子导电性、离子强度、机械稳定性、金属空气电池、纳米纤维、开路电压、性能、聚电解质、聚乙烯醇、氢氧化钾、电源、自供电、固态电解质、固态电池、比容量、温度、可穿戴传感器、可穿戴电子设备、锌和锌阳极。这一组主题突显了储能研究方向的多样性，从基础材料开发到集成设备应用。锌空气电池（ZABs）在便携式储能领域处于领先地位，具有高理论能量密度和安全性，同时人们也在努力通过凝胶聚合物和水凝胶电解质等固态或准固态替代品来克服液态电解质的局限性。这些替代品旨在提高安全性、灵活性和稳定性，体现在离子导电性、离子强度和机械稳定性等指标上。可穿戴电子设备和柔性电池的发展推动了纳米纤维、石墨烯、交联策略和聚乙烯醇等材料的技术创新，以增强导电性、机械刚性及灵活性。从该组主题可以看出，最重要的性能目标是最大化能量密度、比容量和性能，而在不同环境条件（如温度和开路电压）下的运行稳定性仍然是一个挑战。因此，未来的研究应包括多功能电解质（如自修复水凝胶、离子导电聚合物混合物）的设计，探索锌的替代高容量阳极材料（如铝），以及设计用于可穿戴电子设备的智能自维持系统。这表明了将电化学效率、机械灵活性和环境适应性融入实际便携式电源设计主流的趋势。

第三组主题涉及碳纳米管、阴极、充电、钴化合物、电化学性能、电极、电子设备、能量密度、储能、半波电位、锂、锂电池、锂空气电池、锂离子电池、纳米片、镍化合物、峰值功率密度、氧化还原反应、二次电池、硫化合物和纱线。这一组主题反映了该领域的研究趋势，既涵盖材料创新也涉及实际应用的挑战。主要词汇如阴极、电极、充电、电化学性能和氧化还原反应，表明了人们对反应动力学和电极稳定性知识及优化的关注，以提升金属-空气系统的效率和寿命。锂、锂离子电池和锂空气电池的广泛应用表明，基于锂的系统仍是领先的研究方向，尽管仍存在稳定性和可逆性方面的问题。此外，钴、镍、硫化合物和纳米片的出现说明了材料工程领域的持续发展，其中过渡金属基催化剂和纳米结构电极被最大化利用，以促进双功能催化活性和循环耐久性。例如，最近的研究通过创新的催化剂和电解质结构显著提高了柔性锌空气电池的性能。孙等人使用CoO/NBC催化剂和海藻糖改性的水凝胶，实现了1.44 V的开路电压、920 Wh kg-1的能量密度以及在1.39 V下的良好稳定性（400圈后），性能优于商用Pt/C + RuO2。李等人合成了掺硫的g-C3N4基Co@bCNTs，具有0.72 V的小ORR/OER电位差和190.3 mW cm-2的峰值功率密度，虽然功率密度较低，但适用于低温条件下的可穿戴设备。尚等人合成的CMCS–AM/ANa双网络水凝胶具有优异的离子导电性（145.63 mS cm-1）、耐碱性及机械强度，功率密度为120.87 mW cm-2，并在宽温度范围（-20至80°C）内保持长期稳定性能，解决了粘附和界面电阻问题。相比之下，尚等人注重电化学稳定性和长循环寿命，而叶等人关注低温下的柔韧性和强度，尚等人则强调粘附性和环境适应性，这些研究共同展示了构建柔性可穿戴锌空气电池技术的互补策略。

第四组主题包括活性位点、吸附、空气、空气阴极、原子、阴极电极、电流密度、密度、电势、柔性固体、铁、动力学、聚合物和热解。这一组主题聚焦于电极优化、催化剂设计和结构工程的热点研究领域，这些对于推动金属-空气电池向便携式电源的发展至关重要。关键词如活性位点、吸附、原子和铁强调了制备原子分散的过渡金属催化剂和可调氧中间体吸附能量，以提升ORR/OER动力学的重要性。空气阴极工程在平衡催化活性、质量传输和实际操作条件下的耐用性方面起着关键作用。聚合物和热解的技术发展突显了聚合物衍生碳结构和高温处理在制备高密度活性位点导电支撑体中的重要性，而柔性固体则表明了对机械稳定电极或电解质在可穿戴和便携设备中的需求日益增长。这些发现表明，未来的研究应重点优化单原子催化剂、集成弹性聚合物框架和阴极-电解质界面，以提高电流密度、電势强度和长期耐用性。

第五组主题包括空气电极、电荷转移、成本效益、耐用性、电放电、能量转换、燃料电池、锰氧化物、金属和可充电锌空气电池。这一组关键词表明了研究方向集中在空气电极、电荷转移和电放电上，这些进展体现了对改进阴极结构和ORR/OER动力学的创新。锰氧化物和金属等关键词反映了向低成本、长寿命、实用设备发展的趋势。此外，燃料电池和能量转换的概念表明了界面和催化剂设计的协同作用。最近的研究表明，通过绿色、低成本的方法显著提高了锌空气电池的性能，但侧重点不同。辛格拉等人使用来自芸苔废弃物中的3D空气电极和Na/Si掺杂的α-MnO2，实现了最大0.2 mg cm-2的装载量、78.6 mV dec-1的塔菲尔斜率、超过90%的电流保持率、1.26 V的放电电压、51 mW cm-2的峰值功率密度和737 mAh g-1的比容量，并在64天后达到95%以上的生物降解率。同样，Singla等人使用相同的异原子掺杂α-MnO2生物海绵电极和水凝胶电解质，在弯曲条件下获得了1.4V的开路电压、51 mW cm-2的峰值功率和737 mAh g-1的容量，同时实现了95%以上的生物降解率，但遇到了固体互连和大规模封装的问题。Worku等人使用的Ag掺杂α-MnO2催化剂（7.5 mmol Ag）提高了电子转移数（3.8 vs. 2.1），显著降低了电荷转移阻力，并实现了795 mAh g-1的容量和约875 Wh kg-1的能量密度。所有这些结果，即Singla等人[103]和Singla等人[104]的研究，都强调了可生物降解的柔性设备，而[105]则展示了如何通过定向掺杂来提高ORR活性和能量密度。下载：下载高分辨率图片（917KB）下载：下载全尺寸图片图11。(a) 基于生物合成纳米复合生物海绵的空气电极示意图。(b) 由车前草壳（Plantago ovata）制成的实际纳米复合生物海绵的数字图像。(c)-(e) 不同放大倍数的SEM显微图像，(f) EDX谱，以及(g) 由车前草壳（Plantago ovata）制成的纳米复合生物海绵的热分析（TGA/DTA）。经[104]许可复制。版权属于Elsevier，许可证编号：6257020562162。总之，对前面几段中提到的五个研究集群的详细比较或跨集群分析揭示了一个相互依赖的序列：首先是基础催化剂和材料创新（集群1和4），其次是电解质工程和系统的灵活集成（集群2），然后是系统多样化和应用优化（集群3和5）。集群1是MAB研究中催化剂和材料创新的中心层，主要关注开发多功能催化剂、掺杂碳材料、MOFs以及钴、铁、钌和铂等贵金属和非贵金属合金。其主要目标是克服ORR和OER的动态迟缓问题以及可充电金属-空气系统的局限性。添加二元合金、氮掺杂碳和纳米结构多孔材料可以提高机械柔韧性、导电性和活性位点。这也与集群4相一致，后者更加强调在催化剂设计中的原子级精度，即单原子催化剂和聚合物衍生碳结构的合成。诸如活性位点、吸附、热解和柔性固体等术语表明，金属原子（如Fe、Co）在导电载体上的分散可以显著提高ORR/OER活性，通过调节氧中间体的吸附能量实现。此外，对密度泛函理论建模、有机金属合成和热解处理的重视表明，计算化学和当前合成方法正在使得理性、预测性的材料设计成为现实，这是迈向可扩展和持久催化剂的关键步骤。集群1和4共同涵盖了基础研究领域，在此领域内，催化、电子结构控制和纳米级架构的进步为MABs的更广泛发展奠定了基础。在应用和整合方面，集群2、3和5展示了这些基础创新如何在设备性能、机械柔韧性和商业可行性方面得到体现。集群2关注电解质和设备工程，重点使用固态和凝胶聚合物电解质（例如水凝胶、聚乙烯醇基凝胶和离子导电聚合物）来替代传统的液态系统。这些材料提高了机械稳定性、离子导电性和安全性，并解决了传统电解质的泄漏和挥发性问题。进入关键词的术语如柔性电子、可穿戴传感器和自供电系统反映了能量储存与可穿戴技术的日益融合，其中机械柔韧性和温度耐受性成为重要的设计指标。集群3通过优先考虑基于锂的混合空气系统（例如锂离子电池、锂-空气电池和锌-空气电池）来架起桥梁，在这些系统中开发纳米片、碳纳米管和钴/镍基催化剂以实现高能量密度和峰值功率能力。该集群还强调了电极稳定性和氧化还原反应动力学，指出了高能量设备在可充电性和抗降解性方面的当前挑战。最后，集群5反映了向低成本、耐用和可持续的金属-空气系统的转变，重点关注氧化锰和其他地球丰富的催化剂、电荷传输效率以及燃料电池-电池的混合。它对可充电ZABs和能量转换效率的关注意味着通过耐用的电极-电解质界面和长循环寿命来实现商业可扩展性。集群2-5共同勾勒出了从实验室规模材料研究到集成多功能系统的进展，这些系统具有为柔性、便携式和可穿戴电子产品提供动力的潜力。这种从原子工程催化剂到环境适应性设备形态的逐步发展突显了一个主导的研究方向：将高性能催化材料、先进电解质系统和结构兼容的架构结合起来，将MABs从理论潜力推向实际的应用型下一代便携式电源技术。4.2. 对被引用次数最多的30篇文档的关键发现进行比较分析在文献计量学回顾中审查被引用最多的论文非常重要，因为它提供了对该领域支柱性和最具影响力研究的概述，划定了主要的研究方向、方法和知识领域[64,66]。在这项研究中，回顾了研究期间在该主题上被引用次数最多的30篇文档，并按表2所示的顺序呈现如下：表2. 该主题上最多被引用的文档列表。论文参考文献总引用次数每年 cita 循环次数标准化TCH, 2012, NAT. CHEM.[106]104074.291.00F, 2016, J. AM. CHEM. SOC.[107]86186.103.77C, 2017, ADV. ENERGY MATER.[108]80589.443.88C, 2017, ADV. MATER.[109]69076.673.33Q, 2016, ADV. MATER.-a[110]62462.402.74D, 2019, ADV. MATER.[111]43762.434.92Y, 2018, ADV. MATER.[112]38848.502.66X, 2017, ADV. ENERGY MATER.[113]36240.221.74L, 2018, ACS NANO-a[114]35444.252.43SS, 2019, ENERGY ENVIRON. SCI.[115]35350.433.98B, 2018, ENERGY ENVIRON. SCI.[116]34843.502.39L, 2018, NANO ENERGY[117]34142.632.34K, 2020, ADV. MATER.[118]33555.833.83Y, 2015, ANGEW. CHEM. - INT. ED.[119]32329.361.95Z, 2020, ADV. MATER.[120]29449.003.37J, 2015, ADV. MATER.[121]29426.731.77L, 2018, ACS NANO[122]28635.751.96T, 2019, ADV. MATER.[123]26137.292.94H, 2020, NANO ENERGY[124]23939.832.74L, 2017, ADV. FUNC. MATER.[125]23025.561.11K, 2020, APPL. CATAL. B: ENVIRON.[19]22337.172.55Y, 2016, ANGEW. CHEM. - INT. ED.[126]20320.300.89J, 2016, ADV. MATER.[127]19419.400.85Y, 2021, PROC. NATL. ACAD. SCI. U. S. A.[128]19238.403.07HF, 2018, ENERGY STORAGE MATER.[129]18022.501.24Y, 2021, NANO-MICRO LETT.[130]17134.202.73Y, 2019, ADV. SCI.[131]16824.001.89X, 2018, J. MATER. CHEM.[132]16720.881.15T, 2020, ADV. FUNC. MATER.[133]16227.001.85N, 2020, ACS APPL. MATER. INTERFACES[134]15325.501.75能量密度与电化学指标在各种研究中，最显著的变化在于所实现的能量密度和催化性能。Jung等人[106]的锂-氧气电池以其理论能量密度13,500 Wh kg?1（2.7 V时为5,000 mAh gcarbon-1）而脱颖而出——远高于任何锌-空气或混合配置。在ZABs中，Guo等人[132]的核心/壳层NiCo2O4@NiMn LDH系统的质量能量密度最高（866 Wh kg?1），Zhong等人[131]的MOF-on-MOF架构（1,010 Wh kg?1Zn）和[127]的生物启发式Co3O4–NCNT/SS电极（约848 Wh kg?1）也表现出色。峰值功率密度差异很大，从Yan等人[128]和Liu等人[110]的较低值78–185 mW cm?2到Ma等人[122]的混合Zn–Co3O4-x/Zn–air电池的3200 W kg?1以及超薄CoOx系统[123]的300 W gcat-1。OER过电位也反映了催化剂的效率，从Guo等人[132]的10 mA cm?2时的255 mV和Shinde等人[115]的280 mV到更传统设置中的380 mV以上。总的来说，这些数据表明，虽然锂-空气在能量密度方面领先，但最先进的ZABs正在缩小功率密度和效率方面的差距。催化剂结构与活性不同的研究直接与其催化剂/电极界面的配置有关，如表3所总结。Meng等人[107]、Su等人[108]、Tang等人[109]和Liu等人[133]利用了协同作用的双金属或富含缺陷的碳架构、Co4N?+?Co–N–C网络、FeCo/N掺杂纳米管、Co/N/O三掺杂石墨烯和Co/N@CNTs@CNMF来支持活性位点密度和导电性，ORR的半波电位高达0.92 V（Su等人[108]），并在负载下保持0.61–1.09 V的稳定电压差。Shinde等人[115]和Yang等人[117]的单原子和MOF基方法通过分离Co或FeN4位点或创建分级孔隙结构（表面面积高达2,298 m2 g-1 [115]）进一步提高了活性，从而实现了记录的寿命（6,000循环，0.75 V差距 [115]）和出色的ORR/OER动力学。相比之下，Jung等人[106]发现其性能完全不需要任何催化剂，而是依赖于电解质的稳定性和电池结构，这表明与Zn–空气系统中由催化驱动的进步相比，锂-氧气电池采用了截然不同的路径。表3. 最常被引用文档中一些催化剂/电极的性能。研究参考电池类型/催化剂电解质类型峰值功率密度（mW cm?2）比容量（mAh g?1）开路电压（V）能量密度/容量（Wh kg?1）往返效率（%）稳定运行/循环其他关键发现[106]锂-氧气电池（无催化剂优化电池）稳定液体电解质-50002.7（平均放电）13,500（理论值）-稳定的循环，成本低无催化剂使用，优化电池架构[107]柔性锌-空气电池（Co?N+Co–N–C在碳布ZIF-67/聚吡咯上）碱性电解质-----50 mA cm?2时的电压差1.09 V，循环寿命408次保持可弯曲性、可扭转性和可充电性[108]在N掺杂竹状石墨碳纳米管中的FeCo纳米颗粒液体和固态配置-----优异的充放电性能，长循环寿命半波电位0.92 V ORR，1.73 V at 10 mA cm?2 OER[109]具有结构缺陷的Co/N/O三掺杂石墨烯催化剂柔性固态锌-空气电池--1.44-63在弯曲时稳定放电电压1.19 V利用内在的纳米碳缺陷作为活性位点[110]纳米多孔碳纳米纤维薄膜（NCNFs）液体和柔性全固态锌-空气电池185（液体）626（液体）-776（液体），378（固体）62≈0.13 V差距在500次循环后增加柔性薄膜集成到可穿戴光电设备中[134]碱性双网络水凝胶电解质（PAMPS-K/MC）柔性全固态锌-空气电池-764.7-850.2在-20°C下稳定循环，保持导电性高离子导电性（105 mS cm?1），抗疲劳和抗冻机械柔韧性与实际集成虽然Jung等人[106]的目标是能量密度，但其他研究则致力于可穿戴应用的机械强度和柔韧性。例如Li等人[112]的可编织纤维形状ZABs、Zhang等人[126]的纤维形状锂-空气电池以及Tang等人[135]的片上OAR-ZAB阵列展示了理想的纺织品集成，在弯曲或扭转时为LED或手机充电供电。这些柔性ZAB大多数在低变形电压下仍保持高容量，例如Ma等人[114]在弯曲时稳定放电1.18 V，或者Liu等人[114]在90°弯曲时稳定54%，Shinde等人[115]的液体电池循环寿命超过1,000小时，Liu等人[133]的1,125循环。这些累积证据表明了一种趋势：从仅仅实现高电化学数值到将其与机械坚固性和可制造性相结合（Chen等人[113]无粘合剂生长，Li等人[112]的低成本连续工艺，或者Sun等人[134]的抗冻水凝胶）。总体而言，锂-空气在理论容量方面仍占优势，但最先进的Zn–空气设计在功率密度、寿命以及最重要的实际可穿戴能源系统的柔韧性和集成潜力方面 ahora 把它们平等或超越。这些研究的综合发现标志着将金属-空气电池（锂-空气和锌-空气系统）从传统的刚性、依赖催化剂的架构推向高度工程化的、柔性的、催化剂高效架构的重要一步。诸如单原子催化剂、核壳纳米结构、缺陷工程和MOF-on-MOF或生物启发式架构等突破显著提高了双功能ORR/OER性能，从而实现了超高的能量密度（锂-空气理论值高达约13,500 Wh kg-1，锌-空气电池高达约1000 Wh kg-1），高比容量（锂-空气超过12,000 mAh g-1，锌-空气约815 mAh g?1），以及有利的往返效率（高达约74%），同时具有长期循环稳定性（数百到数千小时）。这些材料和结构策略还提供了无与伦比的机械柔韧性，使电池能够在不损失性能的情况下扭曲、压缩或甚至以织物形式缝合，并且在某些应用中提供创纪录的功率密度（例如，混合Zn–空气系统达到3200 W kg?1）或在极端条件下运行（抗冻电解质在?20°C）。总体而言，这些进步预示着MAB设计的范式转变：从主要关注催化剂组成转向系统性地设计电极、电解质和设备架构，以满足未来便携式、可穿戴甚至基于纺织品的电子产品对能源、功率、稳定性和机械柔韧性的需求。4.3. MABs电解质和添加剂的一些最新进展电解质是一种传递电子和离子以维持氧化还原过程的介质。图12展示了四种类型的电解质：水性、非水性、混合型和固态[61]。下载：下载高分辨率图片（828KB）下载：下载全尺寸图片图12. 不同MAB电解质的示意图[61]。在开放获取下发布。MABs的电解质，包括锌-空气电池，在提供机械变形能力、确保安全性以及在实际使用中实现稳定的电化学行为方面至关重要。现代研究表明，通常使用聚乙烯醇（PVA）[136]、聚丙烯酸（PAA）[137,138]或明胶与碱性溶液混合物等聚合物基材料制成的凝胶聚合物和准固态电解质是最受欢迎的类型，因为它们能够同时确保高离子导电性和柔韧性[139]。这些电解质旨在使电池系统即使在弯曲、扭曲或拉伸的情况下也能可靠运行，这对于智能织物和医疗设备等可穿戴电子产品的使用是必需的[140]。此外，由水凝胶制成的电解质能够提供更好的电极表面接触，并有助于防止锌在阳极处形成树枝状晶体，从而提高循环性能[141]。其他更复杂的系统包括生物相容性和可生物降解的电解质溶液，以及通过离子液体改性的聚合物材料[142]。尽管取得了这些进展，但仍面临一些问题，例如从机械角度实现长期稳定性、确保在反复变形条件下仍具有优异的离子导电性，以及扩大生产规模以制造柔性电池[143]。总之，电解质的工程设计在实现便携式金属-空气（MAB）电池的发展中起着至关重要的作用。

4.3.1 水基电解质和添加剂
金属阳极、电解质和空气阴极构成了MAB的基本结构。根据特定用途，还可以加入功能膜作为隔膜。金属阳极的溶解和空气阴极上的氧气还原是在水基金属-空气电池放电过程中发生的主要反应。电解质的pH值会影响这些反应（方程式（1）–（11）[144]：
- 在酸性条件下：
(1) 阳极反应：M → M(x+) + xe?
(2) 阴极反应：x4O2 + xH+ + xe? → x2H2O
(3) 总反应：M + x4O2 + xH+ → M(x+) + x2H2O
- 在中性条件下：
(4) 阳极反应：M → M(x+) + xe?
(5) 阴极反应：x4O2 + x2H2O + xe? → xOH?
(6) 总反应：M + x4O2 + x2H2O → M(OH)x
- 在碱性条件下：
(7) 阳极反应：M + xOH? → M(OH)xy? + (x?y)e?
(8) 阴极反应：x4O2 + x2H2O + xe? → xOH?
(9) 总反应：M + x4O2 + x2H2O → M(OH)x

除了阴极和阳极反应外，金属阳极（M）还会发生寄生氢气生成反应：
(10) 寄生反应：M + xH+ → Mx++ x2H2
(11) 或：M + xH2O → M(OH)x + x2H2

在最近的研究中（见表4），发现了各种水基电解质和添加剂以及材料改性方法，这些方法可以通过防止腐蚀、抑制氢气生成和改善放电行为来显著提高金属-空气电池的性能。例如，Zhong等人[145]发现，水杨酸盐的羟基、硫醇基和磺基衍生物（如5-SSA和TA）虽然会降低耐腐蚀性，但能够显著提高放电电压（在5 mA cm-2时为-1.65至-1.75 V）和比能量（高达2177.1 mWh g-1），而3-MSA则提高了耐腐蚀性但降低了放电电位。Wang等人[146]发现，最佳的2,6-DHB浓度（0.2 M）可以有效抑制放电产物的沉淀，使放电电位达到-1.65 V（相对于Ag/AgCl），并且在Mg–0.15Ca电极中比能量高达2027 Wh kg-1，同时改善了许多Mg合金的性能。Ma等人[147]证明，0.1 M的甘氨酸可以在高电流密度（60 mA cm-2）下提高AZ31 Mg–空气电池的性能，峰值功率密度提高了42%（从33.2 mW cm-2提高到48.6 mW cm-2），阳极效率达到了64%。同样，Li等人[148]发现二元羧酸可以通过形成可溶的Mg2+络合物来提高Mg阳极的放电电位，其中草酸的效果最强（在0.5 mA cm-2时为-1.93 V），如图13所示，并且在60小时后放电电位比空白组高出50 mV。

表4. 水基电解质和添加剂对MAB性能的影响
| 研究 | 电解质类型 | 添加剂 | 阳极 | 峰值功率密度（mW/cm2） | 比能量 / 能量 | 循环性能 | 开路/放电电压 | 能量密度（Wh/kg） | 其他发现 |
|------|--------|------|--------------|------------|-----------------|-----------|-------------|----------------------|
| [145] | 3.5 wt% NaCl (pH 7) | 0.1 M水杨酸盐衍生物（5-SSA, TA, SA, 3-MSA） | cp-Mg | 最高比能量2177.1 mWh g-1；阳极效率+58.3% | 放电电压-1.65至-1.75 V（5 mA cm-2） | - | 功能基团改善Mg2+吸附；3-MSA提高耐腐蚀性但降低放电电位 |
| [146] | 3.5 wt% NaCl (pH 7) | 0.2 M 2,6-DHB（2,6-二羟基苯甲酸钠） | Mg–0.15Ca和Mg合金 | 最高比能量2027 Wh kg-1（Mg–0.15Ca）；+50.5% | 放电电位-1.65 V（相对于Ag/AgCl，5 mA cm-2） | 抑制自放电；最佳浓度0.2 M |
| [147] | 3.5 wt% NaCl | 0.1 M甘氨酸 | AZ31 Mg合金 | 60 mA cm-2时为48.6 mW cm-2 | 阳极效率64%；放电电位0.81 V | - | 减少极化现象和钝化膜附着 |
| [148] | 3.5 wt% NaCl | 20 mM二元羧酸（草酸、苹果酸、琥珀酸、己二酸） | 纯Mg | 放电电位-1.93 V（在0.5 mA cm-2时草酸效果最强） | - | 电池电压1.7 V；60小时后高出50 mV | 形成可溶的Mg2+络合物，抑制腐蚀产物 |
| [149] | 4 M KOH | 无（微观结构控制） | 作为铸态和轧制的Al及Al–Sb | 容量：纯Al 983 Ah/kg（10 mA cm-2）；Al–Sb：2859 Ah/kg（40 mA cm-2） | - | 电池电压1.471→1.527 V（轧制Al）；能量密度3547 Wh/kg（Al–Sb） | 滚压增加了亚晶粒密度；AlSb沉淀物增强了晶界消耗 |
| [150] | 4 M NaOH | 葡萄糖（1.5, 3, 4.5 M） | Al阳极（基于流动的Al–空气电池） | 比容量2886.7 mAh gAl-1；能量密度3675.1 Wh kgAl-1 | - | 抑制水解反应（HER）和自放电；形成保护性有机层 |
| [151] | 2 M NaCl, 4 M NaOH, 4 M NaOH乙醇–水 | 无（电解质变化） | Al–0.5Mg–0.1Sn–0.02In合金 | - | 在4 M NaOH乙醇–水中，操作电压与Zn相当 | 乙醇减少质子活性，抑制HER；碱去除钝化膜 |
| [152] | 基于CsOH的电解质 | 无 | ZAB | 在-10°C下500次循环，5.0 mA cm-2时电位差为0.8 V | --- | 电极反应耐低温；CsOH调节溶剂化结构 |

Zhang等人[149]和Wang等人[150]研究了结构和双功能方法：轧制Al支撑的电压和容量（1.471 V/983 Ah·kg?1至1.527 V/1524 Ah·kg?1），而Al–Sb沉淀物在40 mA cm-2时提供了2859 Ah·kg?1和3547 Wh·kg?1的容量，葡萄糖抑制了HER并形成了保护膜，使Al–空气电池的容量分别达到2886.7 mAh gAl-1和3675.1 Wh kgAl-1。Jingling等人[151]也证明，Al–0.5Mg–0.1Sn–0.02In合金在4 M NaOH乙醇–水电解质中的性能与Zn相当，并且去除了钝化膜并减少了氢气生成（见图14）。最后，Zhao等人[152]证明，使用基于CsOH的电解质，锌–空气电池在-10°C下表现出稳定性能，并在5 mA cm-2时电位差为0.8 V的情况下完成了500次循环。

这些研究表明，针对MAB的优化有多种互补策略。Zhong等人[145]和Wang等人[146]的研究关注中等电流密度下的Mg阳极，其中2,6-DHB单独使用可以抑制自放电现象。Ma等人[147]中的甘氨酸和Li等人[148]中的二元羧酸分别应对了不同的操作条件：甘氨酸通过降低极化作用在高电流密度的Mg–空气电池中发挥作用，而草酸则通过强螯合作用在低电流密度下保持电压稳定。Zhang等人[149]和Wang等人[150]的工作展示了微观结构工程（轧制和AlSb沉淀物）和电解质设计（葡萄糖添加剂）可以单独或结合使用来提高电化学活性、抑制HER并提高能量密度，从而实现Al–空气电池的创纪录高容量。Jingling等人[151]表明，混合电解质（4 M NaOH、乙醇–水）可以在去除钝化膜和抑制氢气生成方面达到平衡，使铝合金的性能与锌相当；而Zhao等人[152]将这种效果扩展到了极端条件，证明了含有CsOH电解质的ZAB在低温下的优越性。总的来说，这些结果表明，通过结合添加剂化学优化、合金微观结构和电解质设计，可以赋予MAB更高的电压、比能量和在高功率及恶劣环境下的稳定性。

4.3.2 非水基电解质
非水基电解质也在MAB研究中得到探索，以期提高能量密度和稳定性，相比水基系统具有优势。尽管这些电解质存在一些问题，如有机溶剂的易燃性、低离子导电性、高成本以及反应中间体和容量损失的问题。特别是，尽管有机电解质在Li–空气电池中提供了宽广的电化学窗口和潜在的安全性，但由于循环稳定性低和不希望出现的副反应（如在空气中暴露时产生的CO2）而受到限制[57,153,154]。
- 固态电解质：与水基电解质不同，固态电解质具有多种润湿性和离子导电性特性。对于MAB来说，高润湿性的液态电解质可以完全润湿三相边界处的阴极，从而促进有效的电化学反应。相比之下，固态电解质的润湿性较差，因为它们是固定的，这限制了三相边界反应界面面积，并显著增加了OH?离子的传输阻力。为了解决这些问题，建议使用碱性凝胶电解质（AGEs），即低分子量聚合物与碱性溶液的混合物，这种电解质最初是为一次锂–空气电池开发的[[155], [156], [157]]。
- 离子液体电解质：离子液体是由大有机阳离子和无机或有机阴离子组成的非水基电解质，或者是在有机溶剂（如碳酸盐、醚或酯）中的碱金属盐[155,156,[158], [159], [160]]。在Li–空气电池中常用的锂盐包括LiPF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2和LiSO3CF3。另一种用于Li–空气电池的电解质是PYR14TFSI–TEGDME–LiCF3SO3的混合物，它包含在四乙二醇二甲醚（TEGDME）中的LiCF3SO3与纯PYR14TFSI的混合物。尽管具有优势，离子液体电解质仍面临挑战，例如会产生吸附电解质的碳酸盐副产物并堵塞电极孔隙。此外，离子液体中的氧反应机制尚不完全清楚，这限制了其在实际应用中的使用[155]。离子液体（ILs），尤其是室温离子液体（RTILs），因其高离子导电性、低挥发性、不可燃性和耐湿性而被研究作为MAB电解质。熔点低于100°C且含有大量有机阳离子和有机/无机阴离子的盐被称为RTILs。潜在的好处包括优异的导电性和对金属电化学过程的支持，这有助于解决电解质干燥等问题[7,161,162]。然而，RTILs的成本较高。在含有不稳定金属（如Na和Li）的MAB中，通常使用非质子有机电解质来促进阳极上固体电解质界面（SEI）的形成。这些有机电解质的易燃性、成本和环境影响是一个问题。此外，空气阴极可能会被其放电产物堵塞，这可能是难以处理且不导电的。为了解决未分解放电产物、低循环效率和有机电解质成本的问题，建议使用混合电解质系统[7]。

4.3.3 混合电解质
两种不同的电解质通过固体电解质屏障分隔，形成混合电解质，也称为复合电解质。这种屏障（如钠超离子导体NASICON）可以促进阳离子传输，同时阻止气体和水的扩散。在混合电池系统中，阴极电解质被称为阴极液，阳极电解质被称为阳极液。在碱性铁–空气电池中，碱性金属离子在水性铁–空气电池的阳极和阴极氧化还原反应中介导离子传输，使用碱性金属离子固态电解质作为隔膜[7]。可穿戴MAB主要使用凝胶聚合物电解质（GPEs）形式的复合电解质。GPEs结合了聚合物的柔韧性和液态电解质的高离子导电性，从而解决了电解质泄漏问题并提高了柔性设备的机械强度。混合电解质结构，如有机-无机复合材料或掺入聚合物基体的液态电解质，通过抑制树枝状晶体的生长和副反应来提高性能。因此，它们非常适合用于高密度、长寿命的便携式和可穿戴储能设备[[163], [164], [165]]。

在最近的研究中（见表5），研究人员致力于电解质改进，以提高锌阳极的可逆性、防止树枝状晶体形成并延长柔性ZAB的循环寿命。在[163]的研究中，多巴胺调节的凝胶电解质（PAGE）包含丰富的化学交联网络，实现了优异的离子导电性（178 mS cm-1）和72小时后电解质保留率达到95 wt%，从而实现了无树枝状晶体的锌沉积和40小时的纤维-ZAB寿命。这项研究进一步得到了[165]的扩展，在其中TiO2(NH2)纳米颗粒均匀分散在双组分PAna–PVP聚合物基体中，实现了更高的导电性（272 mS cm-1），更高的吸收率（达到自重13.8倍），以及在1 mA cm-2电流密度下对称电池的348小时寿命和柔性ZAB的75小时寿命，功率密度为217 mW cm-2。同样，Li等人[166]将电解质pH值调整至接近中性，以抑制阳极腐蚀和碳酸盐的形成；虽然导电性降低，但这种几乎中性的GPE具有70小时的循环寿命和10天的稳定存储时间。这些研究共同指向一个明显的趋势：从基于多巴胺凝胶的电解液逐渐发展到混合有机-无机凝胶，再到中性GPE（凝胶聚合物电解质），显著提高了离子传输的调节能力和稳定性，但同时在不同程度上牺牲了导电性、循环寿命和电压性能。表5展示了使用混合电解质的一些近期研究结果。

| 研究 | 电解质类型 | 添加剂/特殊设计 | 离子导电性（mS cm?1） | 峰值功率密度（mW cm?2） | 比容量/能量密度 | 循环性能/寿命 | 阴极 | 阳极 | 往返效率 | 开路电压（V） | 其他显著发现 |
|--------------|--------------|------------------|-----------------|----------------:|--------------:|------------:|------------:|--------------:|----------------:|------------------------|
| [163] | PAGE Fiber ZAB | 多巴胺调节凝胶电解质（PAGE） | 化学交联网络；丰富的氢键 | | 178 | 200 h（Zn//Zn）；40 h（fiber ZAB） | PDA氧化增强空气阴极 | 层状Zn沉积（无枝晶） | 95%；强电解质保持率（72小时后95%）；自供电纺织品 | |
| [165] | PANa–PVP–TiO?(NH?) GPE | 混合有机-无机水凝胶电解质 | TiO?(NH2)纳米粒子在PAna–PVP网络中 | | 27 | 217-348 | 2,5,10 mA cm-2（Zn对称）；75 h | FAZAB-Zn对称电池（抑枝晶） | -1.25 V放电 / 1.91 V充电（0.66 V电位差） | 高电解质吸收率（13.8 × 重量）；弯曲时稳定 |
| [166] | 中性GPE ZAB | 接近中性的氯基PVA凝胶聚合物电解质 | 溶液浇铸及冷冻/解冻 | | 70 h；储存10天后稳定 | 纳米多孔Co3O4纳米片空气阴极 | 镀锌阳极防腐蚀/枝晶 | 减少碳酸盐形成；适合可穿戴设备 | |
| [167] | PAM-SC凝胶电解质 | 极化的PAM-SC凝胶电解质 | 极化的–COO?基团形成亲锌界面 | | 10 | 77.7 | 420次循环；-40°C下700次循环 | Zn对称电池（均匀Zn2?沉积） | 防止水分蒸发和冻结；手腕佩戴时为风扇/手机供电 | |
| [168] | ChCl/EG–PVA共晶凝胶 | 氯化胆碱/乙二醇–聚乙烯醇共晶凝胶电解质 | 亲锌胆碱阳离子；强氢键 | | 17 | 1.3 | 99.3 | 90 h；-40°C和50°C下保持性能 | 镀锌阳极（抑枝晶） | |
| [169] | A-PAA水凝胶电解质 | 可调极性末端水凝胶电解质 | 1D纤维电催化剂BFC-FC-0.2电极 | | 160 | 745 mAh g?1（915 Wh kg?1） | 600次循环；-20°C下保持92.7%容量 | 1D纤维电催化剂阴极 | -超低可逆过电位（0.7 V）；优异的耐寒性 | |
| [170] | Co3O4@POF催化剂ZAB | 标准液体/凝胶电解质（带Co3O4@POF阴极） | 卟啉框架双功能氧电催化剂 | | 22 | 2.2 | 2000+次循环（5 mA cm?2） | Co3O4@POF阴极 | ΔE = 0.74 V；小放电-充电电位差（1.0 V） | |
| [171] | Co–WS?催化剂ZAB | 标准电解质（带Co–WS?催化剂） | 铜掺杂WS?（1原子% Co） | | 21 | 58（全固态） | 优异的循环稳定性 | Co–WS?空气阴极 | 半波电位840 mV vs 776 mV；过电位303 mV vs 492 mV | |
| [172] | Co9S8 NPs/NHCS ZAB | 标准电解质（带Co9S8催化剂） | Co9S8纳米粒子在N掺杂多孔碳球中 | | 11 | 1200次循环（200 h）无电压衰减 | Co9S8 NPs/NHCS空气阴极 | 1.47 V | 超过Pt/C–RuO?性能 | |
| [173] | PVA–MXene接近中性GPE | 接近中性的凝胶聚合物电解质（PVA + 羟基-MXene） | 亲水化的MXene作为储水层 | | 77.6 | 160 h（2 mA cm?2）；15分钟循环稳定 | 镀锌阳极保护 | 提高水分保持和离子导电性 | |
| [174] | PANa-GO-CNF GPE | 含PAna、GO、CNFs的凝胶聚合物电解质 | 坚硬的GO和CNFs增强 | | 178.6 | 214+ h（2 mA cm?2）；弯曲时 | | 延伸率>13.8 × 初始长度 | |
| [175] | MXene/Zn-LDH-array@PVA集成ZAB | 集成电极-电解质（PVA + CoNi-LDH阵列） | 亲水CoNi-LDH阵列与PVA交联 | | 92.3 | 50 h | 均匀无枝晶Zn阳极 | 提高界面兼容性；降低阻抗；快速离子扩散 | |

此外，不同的研究还强调了机械柔韧性和恶劣环境下的性能。Jiao等人[167]描述了一种含有–COO?基团的极化PAM-SC凝胶，它促进了水分保持并形成了亲锌界面，使得FZAB在-40°C下可循环420次，运行700次，功率密度为107.7 mW cm?2。Zhang等人[168]使用了一种氯化胆碱/乙二醇–PVA共晶凝胶，在96小时后仍保持93.7%的液体含量，并在-40°C下具有38.2 mW cm?2的导电性。Pei等人[169]结合了1D纤维电催化剂和极性末端水凝胶，实现了160 mW cm?2的峰值功率密度、745 mAh g?1的容量以及在-20°C下保持92.7%的循环性能。这些结果表明，通过引入极性末端和防冻添加剂，电池从具有中等耐寒性转变为真正的低温适应性。与前面段落的研究相比，这些研究突显了防冻性能和亲锌表面对于在极端条件下保持无枝晶操作的重要性，从而使得可穿戴或户外设备成为可能。

最后，其他研究还关注了双功能氧催化剂和电极-电解质集成结构。Liu等人[170]、Xu等人[171]和Liu等人[172]制备了Co3O4@POF、Co-WS2和Co9S8 NPs/NHCS催化剂，这些催化剂显著降低了ORR/OER过电位，并超过了Pt/C–IrO2的基准值，最佳系统的最大功率密度分别为116 mW cm?2（Co9S8）和222 mW cm?2，循环寿命超过2000次。此外，[173,174]和[175]随后将先进的GPE与MXene、GO/CNFs或Zn-LDH阵列等结构支撑材料相结合。PVA/MXene接近中性GPE的导电性为77.6 mS cm?1，循环寿命为160 h；PAna-GO-CNF GPE的导电性为178.6 mS cm?1，循环寿命为214 h，断裂时延伸率高；MXene/Zn-LDH@PVA的功率密度为92.3 mW cm?2，循环寿命为50 h，并改善了离子通道。与专注于催化剂的方法不同，这些混合技术强调了电解质、电极界面和机械特性的综合优化。总之，所有研究都指向了高性能柔性ZAB的发展，这些ZAB源于多功能凝胶电解质、亲锌/防冻界面和高活性双功能催化剂的协同组合，同时具备平衡的导电性、枝晶抑制能力和环境适应性，以克服当前设计的局限。

尽管在金属-空气电池（MABs）技术上取得了显著进展，但在实现这些电池系统的商业应用之前，仍有一些关键问题需要解决。例如，尽管许多研究在电化学方面显示了积极的结果，但对于实际操作条件下的循环性能（如电流变化、氧气缺乏、机械应变和湿度含量）仍缺乏充分理解[29,56]。其次，单原子催化剂因其优化的原子经济性和可调节的配位环境而成为高效的氧还原和析氧反应催化剂；然而，单原子催化剂的大规模合成一直是个大问题，因为前驱体材料和加热条件的微小变化都可能导致活性位的改变[57,176]。第三，尽管固态和准固态电解质作为提高安全性和增强可穿戴设备功能性的潜在解决方案越来越受欢迎，但这些材料的可扩展合成面临着与离子导电性、界面电阻、湿度耐受性和卷对卷制造工艺相关的挑战[29,56]。这些未解决的问题表明，未来的研究需要从报告最高实验室效率转向在现实条件下进行标准化测试、可复制的催化剂制造程序和大规模电解质生产方法，以真正评估MABs在新兴便携电源中的潜力。

4.4. MABs的安全性和环境影响
安全性和可持续性对于MABs的商业应用至关重要，尤其是在它们从实验室规模设备向商业可行的产品转变的过程中。就安全性而言，使用水性MABs（特别是用于助听器等设备的锌-空气电池）具有明显优势，因为它们的电解质系统不易燃，且比锂基电池更安全[29]。然而，仍然存在许多安全问题，包括电解质泄漏、二氧化碳导致的碳化以及可能导致短路和设备性能下降的枝晶生长[35]。另一方面，非水性MABs（例如锂-空气电池）尽管提供了适合下一代便携设备的更高能量密度，但由于其反应性锂金属电极、不稳定的有机电解质以及对水分和氧气污染物的敏感性，因此存在更大的安全威胁，这会引起设备内的副反应。此外，固态和准固态MABs作为关键技术正在研究中，以通过增强机械稳定性和减少泄漏倾向来应对现有挑战，但界面阻抗和低离子导电性仍然是重要障碍。

从生命周期环境评估的角度来看，MABs在提取、制造、使用和处置阶段都存在潜在的优点和缺点。根据对锌-空气电池的生命周期评估（LCA）研究，尽管这些电池使用丰富的非关键原材料（如锌），但其制造过程对环境的影响最大[177]。研究发现，Zn/Air电池在大多数类别中的环境影响最小，但仍有四个方面需要关注：人体毒性（包括癌症和非癌症）、淡水生态毒性以及资源消耗（尤其是锌的使用）。阴极制造过程的环境影响最大，其次是膜、阳极和电解质。经济分析表明，如果Zn/Air电池的循环性能得到改善，它们可以与现有市场技术竞争。此外，MABs中金属组分的提取和加工也带来了相当大的生态问题，就像任何其他电池系统一样，这突显了更可持续的来源和环保生产方法的重要性。值得注意的是，MABs的开结构使得质量和资源使用量减少，从而可能每种千瓦时的环境影响较小；然而，由于MABs的可充电形式寿命相对较短，因此在这一方面仍然不够可持续。为了实现MABs在便携式储能方面的真正环境优势，有必要提高循环性能，建立回收系统，并使用低影响的电极和电解质。

4.5. 概念结构：主题地图、演变和因子分析
在文献计量评估中，通过主题地图、主题发展和因子分析来映射概念构成是理解研究领域知识体系和方向的关键。主题地图指出了核心和新兴的研究主题，主题演变展示了这些主题如何随时间出现或消失，而因子分析通过简化复杂数据揭示了概念之间的关系。这些工具共同提供了该学科构成及其发展的清晰和系统化的图像[34,66,178]。因此，本节提供了研究期间该主题概念结构的详细分析。

4.5.1. 作者关键词的主题地图
图15显示，电解质还原、氧气和ORR（氧化还原反应）在主题地图上的位置表明，这些主题在便携式金属-空气电池领域中既专业化又日益重要。这些反应对金属-空气系统的性能至关重要，因为它们直接影响能量效率、稳定性和整体可逆性，但目前仍然是重要的技术挑战[20,[179],[180],[181]]。它们位于两个象限之间的中间状态，意味着虽然它们尚未成为核心主题，但完全有能力决定催化剂设计、电解质工程和界面反应的控制。未来的工作应致力于开发多功能、低成本的催化剂，优化离子传输和稳定性，并采用操作表征策略来阐明反应机制。这些项目将使这些领域从新兴或专业领域发展成为未来金属-空气电池技术的核心组成部分。

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图15. 作者关键词的主题地图。
电解质、固态电解质和聚电解质在细分主题和新兴/衰退象限之间的位置表明，这些主题虽然非常专业化，但鉴于金属-空气电池领域内的变革驱动力，它们具有重要意义。电解质在金属-空气电池的功能中也起着关键作用，因为它们直接影响离子导电性、界面稳定性、枝晶抑制和总体能量效率。固态电解质和聚电解质出现在这个中间阶段，反映出它们克服液态电解质的安全性和泄漏问题的潜力，以及目前限制它们大规模应用的技术挑战，例如低室温下的离子导电性、电极界面的兼容性和机械脆性[[182],[183],[184]]。因此，未来的研究应集中在合成同时具有高离子导电性和固体稳定性的混合或复合电解质上，开发固态电池的可扩展合成路线，并采用先进的建模或原位/操作表征技术来更好地理解离子传输和降解过程。这将有助于这些主题从新兴或专业领域加速发展为主流技术，从而有可能重新定义未来MABs的能量密度、便携性和安全性。

锌-空气电池、锌和可穿戴技术在基础主题象限中的位置表明，这些是最基本和广泛讨论的问题。ZABs由于其高理论能量密度、低成本、环境友好性和灵活性而越来越受欢迎，成为便携式和可穿戴能源系统的支柱。锌作为关键词的出现反映了它作为主要阳极材料的地位，其无枝晶沉积、电化学稳定性和可逆性对电池性能至关重要[[185], [186], [187], [188]]。类似地，可穿戴技术的地位反映了人们对在各种操作条件和机械变形下具有优异性能的安全、灵活和轻量化储能设备日益增长的需求。这些发现总体表明，科学界已经为可穿戴技术的锌空气电池（ZABs）奠定了良好的基础，但仍面临循环寿命短、高电流密度下倍率性能不佳和环境稳定性差的问题。因此，提高锌阳极的可逆性、优化具有高效氧还原/氧化动力学的空气阴极以及设计出既安全又灵活的固态或凝胶电解质应该是未来研究的重点。锌空气电池利用了自愈合材料，这些材料可以是内建式的也可以是外置式的。内建式自愈合材料如PVA-硼砂水凝胶、聚氨酯基超分子聚合物和CS-PAM双网络水凝胶能够在受到机械应力后重新形成[[189], [190], [191]]。相比之下，外置式系统则使用基于微胶囊的聚合物复合材料或血管状凝胶，在开裂或分层时释放愈合剂，从而恢复电极的完整性和保持离子/电子传输，最小化容量损失并延长设备寿命[147,148]。自愈合水凝胶在循环后仍能保持超过95%的初始离子电导率[[192,193]]。因此，将自愈合功能、可拉伸电子器件和实时监测系统集成到锌空气电池中，可以加速其在未来可穿戴电子设备和便携式电源系统中的应用。

4.5.2. 研究期间作者主题的演变
如图16a所示，2000年至2025年间该主题的发展方向反映了学科研究重点的变化，这符合技术发展的需求。2003年至2013年，氧相关的主题占主导地位，表明人们致力于理解氧电化学，特别是氧还原（ORR）和氧氧化（OER），这是所有金属-空气电池（MABs）性能的基础。此外，2014年至2018年，使用了电极、电解质、柔性材料和铝等术语，表明研究重点从机理研究转向材料和结构的工程创新。在此期间，开发了铝-空气电池系统，并初步尝试通过改进电极和电解质使MABs变得更灵活和便携。2019年至2025年则是应用驱动的多维度研究阶段，如图16b所示，研究方向包括锌、锌空气电池、水凝胶电解质、交联技术、空气阴极、碳纳米纤维和锌合金等，旨在优化离子电导率、抑制枝晶生长并增强柔性设备的机械强度。同时，对性能、动力学、电位和温度的关注表明，研究人员对实际便携式和可穿戴电源系统在各种条件下的操作稳定性、效率和耐用性有更广泛的兴趣。这些发现指向未来的工作方向，即集成高性能阴极催化剂与高度优化的锌阳极，开发多功能电解质（如自愈合水凝胶或共晶凝胶），以及开发能在恶劣环境中工作的电池化学体系。此外，将自愈合技术、可拉伸电子器件和实时监测系统集成到锌空气电池中，可以加速其在未来可穿戴电子设备和便携式电源系统中的应用。

4.5.3. 作者主题的因子分析
图17中的作者关键词因子分析显示出主要研究领域与特殊研究领域之间的明显区别。最突出和最大的集群（绿色）包含钴化合物、OER、碳纳米管、石墨烯和反应动力学等关键词，表明研究重点在于改进空气电极的催化性能和提高电子/离子传输效率。可穿戴设备、柔性电子器件、固态电池、水凝胶、固态电解质和阳极的整合强调了提高机械强度、抑制枝晶生长和保障安全的应用导向。这一群体还体现了深度学习（DFT）在指导材料设计和预测反应路径方面的快速应用，加速了更好催化剂、电解质和界面的开发。相比之下，第二类（红色）如凝胶聚合物电解质和聚电解质则位于中心较远的位置，表明这些研究领域尚处于起步阶段，但潜力巨大。这些聚合物电解质可以设计出具有离子导电性、机械柔韧性和多功能性（如自愈合或抗冻能力）的材料，从而填补下一代MABs在安全性和性能方面的空白。展望未来，将核心集群中的先进技术（如高性能催化剂、固态组件和DFT驱动的材料发现）与聚电解质和凝胶聚合物系统的先进经验相结合，可能会带来稳定、高能量密度和真正可穿戴的金属-空气电池的突破。这种整合不仅会提升电化学性能，还能促进从实验室规模原型向商业化柔性便携式电源系统的顺利转化。

4.6. 国家层面的合作、生产和相关资源
图18中的文献计量分析显示，中国在研究生产方面处于全球领先地位，发表了2,197篇论文，而美国（115篇）、韩国（101篇）和新加坡（68篇）等国家的数量相对较少。中国的这种主导地位反映了其在国家创新政策中对高科技电池技术和储能的重视，以及大规模资金投入和广泛的研究机构网络。高产出的数据还表明中国是金属-空气电池（如锌-空气电池）、柔性电解质和新型空气阴极材料开发的中心。相比之下，美国、韩国和新加坡等国家在材料设计、表征和设备工程方面提供了支持，但论文数量较少。与美国、德国、瑞士和英国等先进经济体以及印度等新兴国家的合作，证明了该学科的全球适用性和进一步跨大陆创新的潜力。

4.7. 金属-空气电池发展的总结
从前面的分析中可以看出，金属-空气电池技术代表了便携式和柔性储能系统的领先前沿，结合了高理论能量密度、环境兼容性和结构适应性。最近，新的催化剂、固态电解质和多功能结构被添加到这些系统中，以克服氧还原和氧化反应性能以及电极稳定性方面的几个瓶颈。例如，Kumar和Fu[79]开发了Mn3O4–NiAl-LDH耦合技术，Ambriz-Pelaez等人[80]使用了NiMn LDHs/N掺杂碳，Hu等人[81]开发了Zr2ON2@NiFe LDH异质结构，这些技术在锌空气电池中大幅提升了催化活性，电池电压输出达到1.395 V，功率密度达到172 mW cm?2，并保持了超过400小时的长期稳定性。类似的Sn–空气和Si–空气电池也展示了灵活性、环境稳定性和电压稳定性，能量密度分别为504 Wh kg?1和300.2 Wh kg?1[82,83]。水凝胶和凝胶聚合物电解质的进步提高了离子导电性、柔韧性和抗冻性能，生物来源和水凝胶双网络水凝胶在循环后的稳定性超过300小时，功率密度超过120 mW cm?2[[84], [85], [86]]。此外，催化剂方面的进步，如Sun等人[93]的CoO/NBC水凝胶、Han等人[95]的Co2P/FeCo/MnNP–BCNTs以及Chen等人[96]的生物质基CNT电极，进一步提升了电池的性能，能量密度达到920 Wh kg-1，峰值功率密度超过220 mW cm-2。基于Fe的单原子催化剂通过工程化的配位环境（Fe–N2P2–Cl和Fe–N4–OH）实现了OER活性（E1/2?=?0.92 V）和约600小时的循环稳定性[[100], [101], [102]]。这些技术与可持续的电极材料（如α-MnO2复合材料[103,104]和Worku等人[105]的Ag掺杂α-MnO2催化剂）结合，优化了电荷传输和能量转换效率，同时降低了成本并提高了环境可持续性。所有这些进步表明，催化剂、电解质和电极结构的协同优化正朝着制造机械柔性、长寿命和高性能的金属-空气电池方向发展。

4.8. 金属-空气电池技术的挑战与潜在解决方案
对便携式金属-空气电池（尤其是用于助听器和可穿戴设备的锌-空气电池）中使用金属阳极所面临挑战的分析表明，不稳定性的原因在于电化学因素和形态因素的耦合。水电解质中的寄生反应主要包括腐蚀和氢气生成，导致持续的自放电和较低的库仑效率；事实上，商业化的锌-空气纽扣电池在实际应用中可能无法达到其额定性能[194]。枝晶生长和锌沉积不均匀性是这类可充电便携式锌-空气电池稳定性的主要障碍，即使是最先进的设计也难以克服。此外，钝化效应（如ZnO层的沉积）会减少活性表面积并阻碍离子迁移，而多次氧化还原反应过程中的体积变化和电极形态变化会导致机械应变和电气分离，在紧凑型移动设备中尤为严重。这些问题还受到反馈相互作用的影响，氢气的生成会改变电解质环境，促进钝化和枝晶形成。尽管锌-空气电池由于与碱性电解质的兼容性，在氢气生成方面具有优势，从而提高了稳定性[51]，但这种降解行为仍需解决。为解决这些问题，可能需要开发具有高循环寿命和持续容量的技术方案，例如使用3D多孔载体或结构电流集电体、表面涂层（无机/有机）、电解质添加剂以及准固态/凝胶电解质来抑制枝晶并稳定锌/电解质[196,197]。Li–O2电池也存在电解液不稳定性和O2/Li2O2反应产物的问题，导致过电位较大和可逆性差。一些可能的途径可以减轻这些限制，包括使用屏蔽阳极接口或人工固体电解质界面（SEI）薄膜、固态电解质、氧化还原介质以及优化的阴极催化剂来指导反应路径并降低电荷过电位[198,199]。此外，铝和镁阳极在水溶液中会经历过早腐蚀、钝化层形成以及剧烈的氢气释放，这降低了可用容量并增加了极化现象。通过合金化、组成设计形成薄离子渗透界面的电解质以及防腐涂层，有可能显著改善它们的使用性能和寿命[200,201]。新型高容量阳极如硅和锡则存在氢气释放、“死金属”隔离以及严重体积变化等问题。针对这一挑战的工程解决方案可能包括耐腐蚀结构、柔性的电流收集器网、聚合物（PVDF/SEI）涂层、多孔/微结构载体，以及预锂化或合金化策略，以保持电子接触和应变适应[82,83]。适用于可穿戴和便携式设备的金属-空气化学交叉策略包括：(i) 采用固态或准固态电解质（水凝胶、凝胶聚合物、陶瓷-聚合物混合材料）以避免泄漏和抑制副反应；(ii) 开发稳定的双功能空气-阴极催化剂和优化的气体扩散结构，以最小化氧化反应（ORR）/还原反应（OER）的过电位；(iii) 使用计算辅助的催化剂/界面设计（DFT、单原子工程），结合可扩展的纳米结构载体和保护性界面，当这些策略集成在一起时，可以大幅提高安全性、循环寿命、倍率性能和温度耐受性，以满足可穿戴金属-空气电池的应用要求[186,196,198]。

**5. 结论与未来研究方向**
本文献综述系统评价了近二十年来金属-空气电池技术在便携式电子设备应用中的进展。研究发现，电池架构从传统的初级水系电池（主要是锌-空气电池）演变，后者因其经济性、安全性和可获得性而占据主导地位，转向新型的可充电、柔性以及准固态金属-空气电池，这些电池专为可穿戴设备优化设计。综述显示，科学活动持续增长（每年约19%），国际合作也在增加（约26%的合著比例），这标志着开发方式正朝着更加跨学科和协作化的方向转变。尽管这些发展前景广阔，但仍存在一些关键挑战，如氧化反应/还原反应的动力学、不稳定的电解质以及金属的腐蚀问题，这些问题对系统效率和可逆性产生负面影响。在各种领域的发展趋势中，包括凝胶电解质、聚合物电解质、纳米结构碳材料以及交联基质的发展，明显表明研究重点已从孤立研究化学反应转向新型材料和设备的开发。然而，仍有许多不足之处需要解决，例如在常温及动态机械应力环境下的性能不足、催化系统的重复性不足，以及固态/准固态电解质的规模化问题。为了加快商业化进程，未来的研究应重点关注设计坚固的双功能空气阴极、耐腐蚀且抗枝晶形成的金属阳极，以及高导电性、机械稳定性和安全性的电解质。这些进步应与操作分析方法、机器学习辅助的材料发现，以及考虑实际条件的标准化评估协议相结合。最终，通过综合方法同时解决上述问题，对于将金属-空气电池从理论实验室概念变为未来可行的技术至关重要。

**CRediT 作者贡献声明**
Ephraim Bonah Agyekum：撰写——原始草稿，审阅与编辑，概念构思，方法论，可视化，形式分析。
Basem Abu Zneid：撰写——原始草稿，审阅与编辑，方法论，可视化，形式分析。
Seepana Praveenkumar：撰写——原始草稿，审阅与编辑，方法论，可视化，形式分析。
Arman Ameen：撰写——审阅与编辑，方法论，可视化，形式分析，项目管理。
Farhan Lafta Rashid：撰写——原始草稿，审阅与编辑，方法论，可视化，形式分析。
Ahmed Kadhim Hussein：撰写——原始草稿，审阅与编辑，方法论，可视化，形式分析。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**资金情况**
本研究未接受任何资助。

**数据可用性**
本研究中的数据已在论文中展示。

**CRediT 作者贡献声明**
Ephraim Bonah Agyekum：审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化，方法论，形式分析，概念构思。
Basem Abu Zneid：审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化，方法论，形式分析，概念构思。
Seepana Praveenkumar：审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化，方法论，形式分析，概念构思。
Arman Ameen：撰写——审阅与编辑，项目管理，形式分析。
Farhan Lafta Rashid：审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化，方法论，形式分析，概念构思。
Ahmed Kadhim Hussein：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化，方法论，形式分析，概念构思。