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随着全球电动汽车市场需求的日益增长，锂离子电池的发展受到了严重的阻碍，其发展瓶颈主要在于如何提升正极材料的充放电比容量，以满足高比能量、高充放电功率的要求。与现今商用的碳负极材料（实际比容量为330-360 mAh/g）相比，已投入使用的正极材料的实际比容量值仅为120至250 mAh/g之间，该数值依旧远远低于负极材料的容量；其相对较低的比容量/能量密度是目前正极材料的研究现状，正是制约着锂离子电池向前发展的首要因素。其次，正极材料的成本也是影响高容量锂离子电池开发的重要因素之一。一般地，制备正极材料需要大批量地使用稀有过渡金属元素（如钴、镍等）。一方面，钴、镍等金属资源在地球上的储量有限，不适合大规模地开采以及过度消费利用（与国家可持续发展战略背道而驰）；另一方面，使用稀有金属元素会抬升电池的制造成本，不利于未来高性能锂离子电池大规模普及化使用（例如，在储能电站等领域的实际应用）。此外，大量使用钴、镍、锰等重金属会对土壤、水源等环境产生较大的危害，并对人类及动植物的生命构成了严重威胁。

解决方案

然而方法总比问题多，为了进一步提高可充电池的能量密度，减轻电池重量就成了一个突破口。虽然暂时无法找到比金属锂具有更高能量质量比的材料，但我们可以给电池整体来一个减重瘦身，进而提高电池整体的能量密度。其中最具代表性的就是锂-空气电池了。锂-空气电池的理论计算能量密度可以达到12000Wh/Kg，这足以媲美汽油的超高能量密度，使其有望完全替代汽油，真正实现超长旅程的纯电动汽车（图3）。

图3：各类电池之间的对比。

什么是锂-空气电池？

简单点说，与传统锂离子电池以过渡金属氧化物作为正极材料不同，锂-空气电池是一种用金属锂作负极，以空气中的氧气作为正极反应物的电池。金属锂代替石墨作为负极的一个优点是金属锂（3860 mAh·g-1）有着将近10倍于石墨（372 mAh·g-1）的比容（Specific Capacity）。与所有的电池一样，锂-空气电池也是由基本的三部分组成：正极、负极、电解质，外电路由导线连接传导电子，内电路由电解质连通传递离子。其工作原理如图4所示：