近來，研究發(fā)現(xiàn)了一種用于下一代鋰離子電池的新型電解質(zhì)，可以幫助電動(dòng)汽車、手機(jī)和其他電子產(chǎn)品在極端冰凍溫度下運(yùn)行甚至快速充電。

當(dāng)前，電動(dòng)汽車越來越受歡迎，盡管如此，總有消費(fèi)者對(duì)其避之不及，其中一個(gè)原因在于電動(dòng)汽車的電池在寒冷天氣下所發(fā)揮出的性能不盡人意。最近，研究發(fā)現(xiàn)了一種用于下一代鋰離子電池的新型電解質(zhì)，它可以幫助電動(dòng)汽車、手機(jī)和其他電子產(chǎn)品在極端冰凍溫度下運(yùn)行，甚至可以快速充電。

不僅如此，電池在衛(wèi)星、空間探測器和載人航天任務(wù)中的潛在用途同樣引人注目，當(dāng)然所有這些應(yīng)用都需要在極端寒冷的條件下才能充分運(yùn)作。在美國，「超過一半的州冬季氣溫都在零度以下，」該研究的主要作者、馬里蘭大學(xué)帕克分校的博士后研究員 Jijian Xu 說道。「因此，設(shè)計(jì)出能夠在低溫下工作的電池至關(guān)重要?！?/span>

一開始，任何新的電解質(zhì)可能都比已經(jīng)商業(yè)化的電解質(zhì)更昂貴。盡管如此，該研究的第二作者、馬里蘭大學(xué)化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授 Chunsheng Wang 認(rèn)為，這項(xiàng)新研究中的化合物是用普通溶劑和鹽制成的，沒有毒害成分。Jijian Xu 還補(bǔ)充道，在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，通過優(yōu)化合成途徑，新型電解質(zhì)的成本很有可能降低。

下一代高性能鋰離子電池可能包括 NMC811 這樣的組件，它由 80% 的鎳、10% 的鈷和 10% 的錳組成。NMC811 因其質(zhì)量可以儲(chǔ)存大量能量，并且鈷含量低，之所以強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)，是因?yàn)殁捥嘿F了，這使其在成本方面具有吸引力。

NMC811 鋰離子電池的理想電解質(zhì)不僅有助于支持超過 4.5 伏的更高電壓，以獲得更大的能量密度和 15 分鐘內(nèi)更快的充電速度，而且研究證明該類電解質(zhì)性能安全，可以在 - 60 到 60 攝氏度的溫度范圍內(nèi)工作，但是，這些只是在理想狀態(tài)下。然而，目前還沒有一種電解質(zhì)同時(shí)滿足所有這些要求。例如，它們的工作溫度通常為 - 20 至 50 攝氏度，并且高度易燃。

Jijian Xu 認(rèn)為：「根據(jù)記錄，美國有史以來的最低氣溫是阿拉斯加的零下 62 攝氏度，加州的最高氣溫是 57 攝氏度。我們需要一個(gè)更強(qiáng)大的儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠在極端冰凍溫度下可靠地工作。與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，極限鋰離子電池有潛力促進(jìn)電動(dòng)汽車、航空和國防應(yīng)用的利用。」

目前，電池電解質(zhì)的開發(fā)主要依賴于不斷的試錯(cuò)，「目前我們?nèi)狈﹄娊赓|(zhì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則，」Chunsheng Wang 教授說。在這項(xiàng)新研究中，研究人員試圖為在極端條件下工作的電池開發(fā)通用電解質(zhì)設(shè)計(jì)原則。

科學(xué)家們專注于創(chuàng)造一種既能保持穩(wěn)定和安全、又能讓鋰離子電池在大范圍的溫度下在高電壓下工作的電解質(zhì)。電解液還需要允許鋰離子以相對(duì)較低的能量溶解，以幫助電流在電池內(nèi)部流動(dòng)，同時(shí)也要限制電鍍鋰的發(fā)展，因?yàn)殡婂冧嚂?huì)降低電池容量，鋰峰值會(huì)損壞電池內(nèi)部并導(dǎo)致短路。

用于極端鋰離子電池的新型電解質(zhì)設(shè)計(jì)提供了快速鋰離子傳輸 [右] 和寬溫度范圍 (±60°C) 穩(wěn)定性 [左]。

研究小組的計(jì)算表明，一組軟溶劑可能是有用的。相比硬溶劑由原子或離子組成、半徑小、電荷高，軟溶劑通常半徑大、電荷低。

目前鋰離子電池中的電解質(zhì)溶劑經(jīng)常與鋰離子緊密結(jié)合以溶解鋰鹽。然而，溶劑和鋰離子之間的結(jié)合能越大，鋰離子從溶液中出來就越困難。在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種軟溶劑，鋰鹽可以在其中溶解，同時(shí)最大限度地減少溶劑和鋰離子之間的結(jié)合量。

此外，研究人員在電解液中添加了防止鋰電鍍和在低溫下形成脈沖的成分。相反，電極表面形成了相對(duì)導(dǎo)電的薄層，支持鋰離子快速流動(dòng)，以提升充電效率。

在 4.5 伏鋰離子電池 NMC811 陰極和石墨陽極的測試中，設(shè)備在 - 50 攝氏度充電和放電時(shí)保持其室溫容量的四分之三，在 - 60 攝氏度充電和放電時(shí)保持一半以上，充電時(shí)間約為 15 分鐘。

Jijian Xu 說：「我們的發(fā)現(xiàn)，為鋰離子電池在較廣溫度范圍內(nèi)（例如，從佛羅里達(dá)的炎熱夏天到阿拉斯加的寒冷冬天）為電動(dòng)汽車供電提供了一種實(shí)用的解決方案。此外，極限電池可以用于極地科學(xué)研究。或者，極限電池可以用于外太空，比如月球探測?！?/span>

盡管如此，Jijian Xu 強(qiáng)調(diào)道：「60 攝氏度的高溫性能仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我們還需投入更多的努力來展開進(jìn)一步的研究?！?/span>

原文鏈接：

https://spectrum.ieee.org/cold-weather-car-battery