1214Wh/kg!三星公司推出超高比能量Li-O2小鱼儿玄机2站!
发布时间:2019-03-04 15:44:47

1214Wh/kg!三星公司推出超高比能量Li-O2小鱼儿玄机2站!


随着电动汽车续航里程的不断增加,主机厂商对于动力小鱼儿玄机2站能量密度的要求也在不断提高,目前小鱼儿开奖结果部发布的《新小鱼儿玄机二站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的动力小鱼儿玄机2站产品,根据目前动力小鱼儿玄机2站的成组效率来看,要达到180Wh/kg的系统能量密度方形、圆柱和软包单体小鱼儿玄机2站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,对动力小鱼儿玄机2站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小鱼儿玄机2站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小鱼儿玄机2站凭借着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小鱼儿玄机2站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小鱼儿玄机2站。


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自1996年推出首款非水体系Li-O2小鱼儿玄机2站以来,人们已经对Li-O2小鱼儿玄机2站进行了大量的研究,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小鱼儿玄机2站的循环稳定性(部分研究的小鱼儿玄机2站循环寿命可达1000次以上),但是这些研究大多数关注的Li-O2小鱼儿玄机2站的电性能,很少有研究关注Li-O2小鱼儿玄机2站在小鱼儿玄机2站层级的能量密度。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小鱼儿玄机2站在小鱼儿玄机2站层级的能量密度。


Heung Chan Lee推出的小鱼儿玄机2站结构如下图所示,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,小鱼儿玄机2站组合好后还进行了折叠。


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下图为上述的小鱼儿玄机2站长度在5cm,厚度在340um的情况下,不同宽度时小鱼儿玄机2站的容量,当小鱼儿玄机2站的宽度为3cm时单层小鱼儿玄机2站的容量可达80mAh,重量能量密度达到338Wh/kg,体积能量密度达到376Wh/L。


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由于Li-O2小鱼儿玄机2站中的气体扩散层既起到了气体扩散层的作用,也作为正极的集流体,因此其性能和结构也对于小鱼儿玄机2站的性能会产生明显的影响,因此作者对GDL的结构进行了改造使得其厚度下降到了50um(原厚度180um),以提高小鱼儿玄机2站的能量密度,下图为采用新的GDL后不同宽度的小鱼儿玄机2站放电曲线,可以看到在宽度为0.5、1、2、3cm时小鱼儿玄机2站的容量随着宽度的增加而呈现线性增加,小鱼儿玄机2站的放电曲线变化不大,但是小鱼儿玄机2站的宽度达到8cm后,放电过程中小鱼儿玄机2站的极化明显增加(约80mV),这表明更薄的GDL层会限制O2的流量,从而造成极化增加,但是对于宽度在3cm以下时影响不大。


我们计算GDL变薄后的小鱼儿玄机2站比能量发现,当小鱼儿玄机2站宽度为3cm时小鱼儿玄机2站的重量能量密度可达700Wh/kg,体积能量密度可达610Wh/L,但是如果我们把小鱼儿玄机2站的宽度增加到8cm小鱼儿玄机2站的能量密度反而会降低到580Wh/kg和520Wh/L。


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为了分析造成更宽的小鱼儿玄机2站极化增加的原因,作者分析了宽度分别为2cm和8cm的Li-O2小鱼儿玄机2站在0%、20%、50%、85%和100%放电深度下GDL层和正极层中O2浓度和O2比例,从下图a中能够看到在开始的时候2cm和8cm款的小鱼儿玄机2站内部O2分布都非常均衡,但是放电深度增加,宽度为8cm的小鱼儿玄机2站中O2浓度开始出现了明显的浓度梯度,在小鱼儿玄机2站的尾部O2浓度大幅降低,这也是导致小鱼儿玄机2站极化增加的主要原因。下图b为小鱼儿玄机2站内部电流分布的图,从图中能够看到小鱼儿玄机2站内部的电流分布并不均匀,在O2入口处电流的电流密度更大,这也进一步导致了小鱼儿玄机2站内部反应的不均匀性,导致极化增加。


在Li-O2小鱼儿玄机2站放电的过程中,正极表面会形成Li2O2产物逐渐覆盖正极表面,使其失去反应活性,我们看到当小鱼儿玄机2站的宽度为2cm时,放电过程中小鱼儿玄机2站正极碳材料表面的Li2O2层的厚度变化是均匀的,但是对于8cm宽的小鱼儿玄机2站,Li2O2层厚度的增加是非均匀的,从O2的入口处开始增加,逐渐扩散到小鱼儿玄机2站的尾部。因此对于Li-O2小鱼儿玄机2站而言小鱼儿玄机2站的宽度并不是越宽越好,而是存在一个最大宽度,例如对于50um厚的GDL层和0.24mA/cm2的电流密度,小鱼儿玄机2站的最大宽度不应超过6cm。


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为了进一步提升小鱼儿玄机2站的能量密度,作者在正极中引入了碳纳米管CNT并进一步降低了电解液的用量,下图为不同正极涂布量下的Li-O2小鱼儿玄机2站的放电曲线,从图中能够看到在3mg/cm2的涂布密度下,单位质量碳能够反应的容量达到3550mAh/g,小鱼儿玄机2站的质量比能量达到1214Wh/kg,体积能量密度达到896Wh/kg。


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下图为正极采用CNT后的Li-O2小鱼儿玄机2站在300Wh/kg能量密度下的循环性能,从下图A中能够看到该小鱼儿玄机2站的循环性能并不是十分理想,还需要进行继续的优化处理。


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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小鱼儿玄机2站在全小鱼儿玄机2站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小鱼儿玄机2站设计上的一次重大进展。


稿件来源: 新小鱼儿玄机二站Leader
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