隨著電動汽車續(xù)航里程的不斷增加，主機廠商對于動力電池能量密度的要求也在不斷提高，目前工信部發(fā)布的《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄（2019年第1批）》中一款帝豪純電動轎車系統(tǒng)能量密度達到182.44Wh/kg，是首款系統(tǒng)能量密度達到180Wh/kg的動力電池產(chǎn)品，根據(jù)目前動力電池的成組效率來看，要達到180Wh/kg的系統(tǒng)能量密度方形、圓柱和軟包單體電池的能量密度應該達到260Wh/kg、277Wh/kg和240Wh/kg以上。隨著電動汽車技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，對動力電池能量密度的要求還將不斷提高，但是普遍認為目前的鋰離子電池體系能量密度極限在350Wh/kg左右，繼續(xù)提高能量密度就需要采用新體系。
在眾多的新體系中，Li-O2電池憑借著3458Wh/kg的超高理論能量密度吸引了不少研究者的目光，近日韓國三星電子的先進技術(shù)研究院的Heung Chan Lee（第一作者，通訊作者）和Dongmin Im（通訊作者）等人通過采用超薄氣體擴散層，高電導率聚合離子液體隔膜和折疊電池結(jié)構(gòu)等方法推出了一款能量密度達到1214Wh/kg，體積能量密度達到896Wh/L 的超高能量密度Li-O2電池。
自1996年推出首款非水體系Li-O2電池以來，人們已經(jīng)對Li-O2電池進行了大量的研究，通過碳空氣電極設(shè)計、催化劑、電解液和添加劑優(yōu)化大幅提升了Li-O2電池的循環(huán)穩(wěn)定性（部分研究的電池循環(huán)壽命可達1000次以上），但是這些研究大多數(shù)關(guān)注的Li-O2電池的電性能，很少有研究關(guān)注Li-O2電池在電池層級的能量密度。而Heung Chan Lee等人的研究恰好抓住了Li-O2研究的痛點，通過優(yōu)化設(shè)計大幅度提升了Li-O2電池在電池層級的能量密度。
Heung Chan Lee推出的電池結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包含金屬Li負極，聚合離子液體隔膜，多孔碳電極，含有離子液體的正極，以及空氣擴散層（GDL），為了提高空間利用效率，電池組合好后還進行了折疊。
下圖為上述的電池長度在5cm，厚度在340um的情況下，不同寬度時電池的容量，當電池的寬度為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。
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，也作為正極的集流體，因此其性能和結(jié)構(gòu)也對于電池的性能會產(chǎn)生明顯的影響，因此作者對GDL的結(jié)構(gòu)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，下圖為采用新的GDL后不同寬度的電池放電曲線，可以看到在寬度為0.5、1、2、3cm時電池的容量隨著寬度的增加而呈現(xiàn)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后，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變薄后的電池比能量發(fā)現(xiàn)，當電池寬度為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。
為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為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(nèi)部O2分布都非常均衡，但是放電深度增加，寬度為8cm的電池中O2濃度開始出現(xiàn)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為電池內(nèi)部電流分布的圖，從圖中能夠看到電池內(nèi)部的電流分布并不均勻，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(nèi)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產(chǎn)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為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并不是越寬越好，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。
為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并進一步降低了電解液的用量，下圖為不同正極涂布量下的Li-O2電池的放電曲線，從圖中能夠看到在3mg／cm2的涂布密度下，單位質(zhì)量碳能夠反應的容量達到3550mAh/g，電池的質(zhì)量比能量達到1214Wh/kg，體積能量密度達到896Wh/kg。
下圖為正極采用CNT后的Li-O2電池在300Wh/kg能量密度下的循環(huán)性能，從下圖A中能夠看到該電池的循環(huán)性能并不是十分理想，還需要進行繼續(xù)的優(yōu)化處理。
Heung Chan Lee等人通過采用高比表面積的CNT導電劑，優(yōu)化碳／電解液比例，采用高離子電導率的聚合物離子液體隔膜和超薄空氣擴散層（GDL），以及折疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計等方法將Li-O2電池在全電池的層級的能量密度大幅提升到了1214Wh/kg，體積能量密度達到896Wh/L，是Li-O2電池設(shè)計上的一次重大進展。
