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1214Wh/kg!三星公司推出超高比能量Li-O2電池!
發布时间:2019-03-04 15:44:47
關鍵詞:動力電池 锂電池

1214Wh/kg!三星公司推出超高比能量Li-O2電池!


隨著電動汽車續航裏程的不斷增加,主機廠商對于動力電池能量密度的要求也在不断提高,目前工信部發布的《新能源汽车推广应用推荐车型目录(2019年第1批)》中一款帝豪纯电动轿车系统能量密度达到182.44Wh/kg,是首款系统能量密度达到180Wh/kg的動力電池产品,根据目前動力電池的成组效率来看,要达到180Wh/kg的系统能量密度方形、圆柱和软包单体电池的能量密度应该达到260Wh/kg、277Wh/kg和240Wh/kg以上。随着电动汽车技术的持续发展,对動力電池能量密度的要求还将不断提高,但是普遍认为目前的锂离子电池体系能量密度极限在350Wh/kg左右,继续提高能量密度就需要采用新体系。


在众多的新体系中,Li-O2电池凭借着3458Wh/kg的超高理论能量密度吸引了不少研究者的目光,近日韩国三星电子的先进技术研究院的Heung Chan Lee(第一作者,通讯作者)和Dongmin Im(通讯作者)等人通过采用超薄气体扩散层,高电导率聚合离子液体隔膜和折叠电池结构等方法推出了一款能量密度达到1214Wh/kg,体积能量密度达到896Wh/L 的超高能量密度Li-O2电池。


1214Wh/kg!三星公司推出超高比能量Li-O2電池!


自1996年推出首款非水体系Li-O2电池以来,人们已经对Li-O2电池进行了大量的研究,通过碳空气电极设计、催化剂、电解液和添加剂优化大幅提升了Li-O2电池的循环稳定性(部分研究的电池循环寿命可达1000次以上),但是这些研究大多数关注的Li-O2电池的电性能,很少有研究关注Li-O2电池在电池层级的能量密度。而Heung Chan Lee等人的研究恰好抓住了Li-O2研究的痛点,通过优化设计大幅度提升了Li-O2电池在电池层级的能量密度。


Heung Chan Lee推出的电池结构如下图所示,主要包含金属Li负极,聚合离子液体隔膜,多孔碳电极,含有离子液体的正极,以及空气扩散层(GDL),为了提高空间利用效率,电池组合好后还进行了折叠。


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下圖爲上述的電池長度在5cm,厚度在340um的情況下,不同寬度時電池的容量,當電池的寬度爲3cm時單層電池的容量可達80mAh,重量能量密度達到338Wh/kg,體積能量密度達到376Wh/L。


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由于Li-O2電池中的氣體擴散層既起到了氣體擴散層的作用,也作爲正極的集流體,因此其性能和結構也對于電池的性能會産生明顯的影響,因此作者對GDL的結構進行了改造使得其厚度下降到了50um(原厚度180um),以提高電池的能量密度,下圖爲采用新的GDL後不同寬度的電池放電曲線,可以看到在寬度爲0.5、1、2、3cm時電池的容量隨著寬度的增加而呈現線性增加,電池的放電曲線變化不大,但是電池的寬度達到8cm後,放電過程中電池的極化明顯增加(約80mV),這表明更薄的GDL層會限制O2的流量,從而造成極化增加,但是對于寬度在3cm以下時影響不大。


我們計算GDL變薄後的電池比能量發現,當電池寬度爲3cm時電池的重量能量密度可達700Wh/kg,體積能量密度可達610Wh/L,但是如果我們把電池的寬度增加到8cm電池的能量密度反而會降低到580Wh/kg和520Wh/L。


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爲了分析造成更寬的電池極化增加的原因,作者分析了寬度分別爲2cm和8cm的Li-O2電池在0%、20%、50%、85%和100%放電深度下GDL層和正極層中O2濃度和O2比例,從下圖a中能夠看到在開始的時候2cm和8cm款的電池內部O2分布都非常均衡,但是放電深度增加,寬度爲8cm的電池中O2濃度開始出現了明顯的濃度梯度,在電池的尾部O2濃度大幅降低,這也是導致電池極化增加的主要原因。下圖b爲電池內部電流分布的圖,從圖中能夠看到電池內部的電流分布並不均勻,在O2入口處電流的電流密度更大,這也進一步導致了電池內部反應的不均勻性,導致極化增加。


在Li-O2電池放電的過程中,正極表面會形成Li2O2産物逐漸覆蓋正極表面,使其失去反應活性,我們看到當電池的寬度爲2cm時,放電過程中電池正極碳材料表面的Li2O2層的厚度變化是均勻的,但是對于8cm寬的電池,Li2O2層厚度的增加是非均勻的,從O2的入口處開始增加,逐漸擴散到電池的尾部。因此對于Li-O2電池而言電池的寬度並不是越寬越好,而是存在一個最大寬度,例如對于50um厚的GDL層和0.24mA/cm2的電流密度,電池的最大寬度不應超過6cm。


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爲了進一步提升電池的能量密度,作者在正極中引入了碳納米管CNT並進一步降低了電解液的用量,下圖爲不同正極塗布量下的Li-O2電池的放電曲線,從圖中能夠看到在3mg/cm2的塗布密度下,單位質量碳能夠反應的容量達到3550mAh/g,電池的質量比能量達到1214Wh/kg,體積能量密度達到896Wh/kg。


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下圖爲正極采用CNT後的Li-O2電池在300Wh/kg能量密度下的循環性能,從下圖A中能夠看到該電池的循環性能並不是十分理想,還需要進行繼續的優化處理。


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Heung Chan Lee等人通过采用高比表面积的CNT导电剂,优化碳/电解液比例,采用高离子电导率的聚合物离子液体隔膜和超薄空气扩散层(GDL),以及折叠结构的设计等方法将Li-O2电池在全电池的层级的能量密度大幅提升到了1214Wh/kg,体积能量密度达到896Wh/L,是Li-O2电池设计上的一次重大进展。


稿件来源: 新能源Leader
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