一 引言

环境污染的日益加重与能源需求的不断增加，使人类的环保意识与日俱增，采用电动汽车（EVs）和混合电动汽车（HEVs）替代对环境污染严重的燃油汽车已经成为必然的选择，传统的化学电源已不能满足要求，因此，迫切需要研发高比能量与高功率密度的化学电源。

在所有元素中，锂是自然界中最轻的金属元素，同时具有最负的标准电极电位［相对于标准氢电极（NHE）的电位为-3.045V］。这两个特征结合在一起使得该元素具有很高的能量密度，理论比容量达到3860Ah/kg，而锌和铅分别只有820Ah/kg和260Ah/kg^［1］。由于锂的标准还原电位很低，因此该金属在质子化溶剂水中，热化学上是不稳定的。所以，锂电池的实际应用很大程度上取决于非水体系电解液的发展。

自从索尼公司1990年成功开发出以石油焦炭为负极的锂离子电池以来，随着负极碳材料的逐步改进，锂离子电池的性能不断提升，其重量比能量已由最初的80W·h/kg提高到目前的180W·h/kg。锂离子电池已经成长为每年几十亿美元的全球产业，并且预期未来还会稳健地发展。目前，小型锂离子电池和电池包已经获得了全球消费者的认可，但是，用于混合和纯电动车的大型锂离子电池仍需进一步的研究。安全问题的基本起因在于液体电解质、聚合物隔膜和过渡金属氧化物阴极之间的反应。此外，高温环境会导致液体电解质基锂电池破裂、燃烧甚至是爆炸^［2］。国际上一些较大制造商生产的锂离子电池发生安全事故和召回事件已经引起关注。最近，被称作“梦想客机”的波音787故障连发原因也在于此^［3］。2013年1月7日，日本航空公司一架787客机飞抵美国波士顿时，电池起火导致客舱冒烟，所幸没有人员伤亡。自波音787“梦想客机”被曝存在锂电池自燃隐患后，一直处于全球停飞状态。4月初，该公司表示，787客机在换装由GS Yuasa公司设计的全新电池组后，飞行状态良好，在数次飞行试验中均未出现电池组过热自燃的现象，并表示将把这些数据提交美国联邦航空管理局（FAA）审核，力求让该飞机尽早重返蓝天。过度充电导致电池过热、漏液，或许是波音787多起起火事件的主要原因。整个航空业正在重新思考锂离子电池作为后备能源系统在技术上是否成熟^［3］。

环境的日益恶化也促进了电动汽车的发展。近年来，中国内地多个城市上空笼罩着让人窒息的阴霾，除了对健康的损害，也让人心里增添了一些阴影。二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物是雾霾主要组成成分，前两者为气态污染物，最后一项颗粒物才是加重雾霾天气污染的罪魁祸首。颗粒物的英文缩写为PM，北京监测的是细颗粒物（PM2.5），也就是直径小于等于2.5微米的污染物颗粒。这种颗粒本身既是一种污染物，又是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体。城市有毒颗粒物的来源主要是汽车尾气，其中，使用柴油的汽车是排放细颗粒物的“重犯”。因此，在这种背景下迫切需要开发高能量密度、安全的汽车用动力电池。锂—空气电池的理论能量密度为11140 W·h/kg，比锂离子电池高很多倍^［4～6］，可充电的Li-O₂电池集成了燃料电池和可充电电池的优点^［2］。在锂—空气电池中，固态金属锂是燃料，减少了储存和运输的问题，固体锂也作为阳极。在H₂-O₂电池中，为了实现低温下氢的氧化和氧的还原，需要基于贵金属（Pt、Pd等）的昂贵的膜电极。此外，锂—空气电池的开路电压（OCV）大约为3.0 V，是H₂-O₂电池OCV的大约3倍。较高的OCV意味着在相同的电流密度下大约高3倍的功率输出。另外，通过使用全固态无机电解质将金属锂和湿气以及大气隔离开来，阻止了锂枝晶短路、锂反应性，并且相关的安全性问题也可以得到解决。因此，锂—空气电池被称为锂电池的“圣杯”，Li-O₂电池对电动车、固定能量储存和军事领域应用更具吸引力^［17］。最近，国外大的汽车公司也竞相投入到锂—空气电池的研发中。2013年1月24日，日本丰田公司和德国宝马公司签订协议，正式合作研发燃料电池车、轻量化技术以及“后锂离子充电电池技术”^［8］。

二 电动汽车动力电池的主要标准

实用的电动汽车电池的主要标准为能量密度、成本、寿命［以年和行驶里程（公里或英里）测定］和安全性^［4］。

重量和体积能量密度：汽油的理论能量密度为13000W·h/kg，图1比较了汽油和各种可充电电池的质量比能量密度（W·h/kg）。美国汽车平均的（油罐到车轮）效