新型鋰離子電池面世，可無懼嚴寒和酷暑，據稱這種電池在極冷和高溫下都能表現良好，根據研究人員的說法，這一“壯舉”是通過開發一種新型電解質實現的。新型鋰離子電池面世，可無懼嚴寒和酷暑。
新型鋰離子電池面世，可無懼嚴寒和酷暑1
一種新型鋰離子電池既可以在零下 40°C 的低溫下工作，也可以在 50°C 的高溫下工作。這種新型電池陰極使用硫製作，電池可以儲存更多的能量。這是來自加州大學聖地亞哥分校（UCSD）的一項新研究。
這種電池可以增加電動汽車在寒冷溫度下的行駛里程。此外，它們還可以用於衛星、航天器、高空無人機和潛艇。UCSD 納米工程教授陳政（Zheng Chen）表示：通過大幅擴展鋰電池的可操作窗口，我們可以爲電動汽車之外的應用提供更強大的電化學物質。
目前來看，電池用石墨陽極和鋰金屬氧化物陰極，這種組合不能很好地處理極端溫度。高溫會加劇電池內部本已高度活躍的化學環境，引發分解電解質和其他電池材料的副反應，導致不可逆轉的損害。與此同時，低溫會使液體電解質變稠，所以鋰離子在其中緩慢移動，導致電能損耗和充電緩慢。
對電池進行絕緣或從內部加熱的方法有助於解決低溫問題。研究人員之前還對電解質進行設計以擴大電池溫度範圍，但這可以提高低溫或高溫下的性能，而不是同時提高性能。
陳政教授團隊的研究《Solvent selection criteria for temperature-resilient lithium–sulfur batteries》刊登在了 7 月 5 日的《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，他們表示新型耐極端溫度電池的核心是找到一種新電解質。
他們通過將鋰鹽溶解在二丁醚溶劑中來製造電解質。與現有的用於電池的碳酸乙烯溶劑不同，新材料在零下 100°C 的溫度下不會結冰，也不容易蒸發。此外，其溶劑分子與鋰離子結合較弱，所以鋰離子在其中移動更自由，即使在冰點溫度下。
UCSD 團隊通過將硫附着在塑料基材上來解決硫陰極降解問題。同時，新的電解質允許鋰離子的均勻傳輸，因此它們沒有機會粘在一起並形成枝晶。
在團隊測試中，原型電池持續了 200 次循環，並在 -40°C 下還能保持超過 87% 的原始容量。在 50°C 時，電池的容量增加了 15%，陳政教授表示，因爲更高的溫度會增加電荷轉移和鋰離子通過電解質並擴散到電極上，因而推動了電池容量和能量極限 。
該研究的第一作者、UCSD 納米工程博士後研究員 Guorui Cai 準備了一個電池袋電池（battery pouch cell），用於在低於冰點的溫度下進行測試。
這種電解質的另一個特別之處在於它與鋰硫電池兼容，鋰硫電池是一種可充電電池，其陽極由鋰金屬製成，陰極由硫製成。鋰硫電池是下一代電池技術的重要組成部分，因爲這種電池具有更高的能量密度和更低的成本。
它們每公斤存儲的能量是當今鋰離子電池的兩倍——這可以使電動汽車的續航里程增加一倍，而不會增加電池組的重量。此外，與傳統鋰離子電池陰極中使用的鈷相比，硫的來源更豐富且問題更少。
但鋰硫電池存在另一些問題——其陰極和陽極都過於活躍。硫正極非常活潑，以至於它們在電池運行期間會溶解。這個問題在高溫下會變得更糟。鋰金屬陽極容易形成稱爲枝晶的針狀結構，可以刺穿電池的某些部分，導致電池短路。因此，鋰硫電池只能持續數十次循環。
「如果你想要一個能量密度高的電池，你通常需要使用非常精確、複雜的化學物質，」陳政說道。「高能量意味着更多的反應正在發生，這意味着穩定性更低，降解更多。製造穩定的高能電池本身就是一項艱鉅的任務——試圖在很寬的溫度範圍內做到這一點更具挑戰性。」
UCSD 研究小組開發的二丁醚電解質可以防止這些問題，即使在高溫和低溫下也是如此。他們測試的電池比典型的鋰硫電池具有更長的循環壽命。「我們的電解質有助於改善陰極和陽極側，同時提供高導電性和界面穩定性，」陳政介紹說。
該團隊還通過將硫陰極接枝到聚合物上來設計更穩定的硫陰極。這可以防止更多的硫溶解到電解液中。
接下來的步驟包括擴大電池化學成分，優化它以在更高的溫度下工作，並進一步延長循環壽命。
UCSD 納米工程教授陳政。
容量的增加不一定是一件好事，因爲這同時也會使電池負擔過重。爲了解決這個問題，研究人員必須進一步改進電池的化學成分，以便它能夠維持更多的充電週期。他們還計劃通過更多的細胞工程來提高能量密度。目前，新電池的密度僅比今天的鋰離子電池略高一點，與鋰硫理論上的承諾相差無幾。「我們至少可以將能量密度提高 50%，」陳政表示。「這就是希望，這就是承諾。」
新型鋰離子電池面世，可無懼嚴寒和酷暑2
近期，加州大學聖地亞哥分校(UCSD)的工程師們開發出了一種新型鋰離子電池，據稱這種電池在極冷和高溫下都能表現良好，同時仍能儲存大量能量。
根據研究人員的說法，這一“壯舉”是通過開發一種新型電解質實現的。這種電解質不僅可以在較寬的溫度範圍內堅挺耐用，而且可以與高能陽極和陰極兼容。上述研究成果已於近期發表在了《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。
UCSD雅各布斯工程學院納米工程學教授、該研究的資深作者Zheng Chen表示，基於這項技術開發的車用電池，即使在寒冷氣候下也能讓電動汽車行駛更遠。此外，它們還可以減少對冷卻系統的需求，以防止車輛的電池組在炎熱氣候下過熱。
Chen 解釋說：“高溫對於汽車電池來說是一個重大挑戰。在電動汽車中，電池組通常位於底盤，更靠近炎熱的道路。此外，電池在運行過程中會因電流通過而升溫。如果電池不能承受這種高溫，它們的性能將迅速下降”。
在測試中，該電池在-40°C和50°C下分別保留了87.5%和115.9%的能量容量。在這些溫度下，它們還分別具有98.2%和98.7%的高庫倫效率，這意味着電池在停止工作之前可以進行更多的充放電循環。
上述優異的性能都要歸功於Chen和同事們開發的獨特電解質。它由二丁醚與鋰鹽混合而成的液體溶液製成。二丁醚的'一個特點是其分子與鋰離子的結合較弱。換句話說，當電池運行時，電解質分子很容易釋放鋰離子。
研究人員在之前的一項研究中發現，這種微弱的分子相互作用可以提高電池在零下溫度下的性能。另外，二丁醚很容易吸收熱量，因爲它在高溫下保持液態(沸點爲141°C)。
附加優勢
此外，這種電解質的另一個特別之處在於它與鋰硫電池兼容，鋰硫電池是一種可充電電池，其陽極由鋰金屬製成，陰極由硫製成。鋰硫電池是下一代電池技術的重要組成部分，因爲它擁有更高的能量密度和更低的成本。
據瞭解，鋰硫電池每公斤存儲的能量是當今鋰離子電池的兩倍，這可以使電動汽車的續航里程增加一倍，而不會增加電池組的重量。此外，與傳統鋰離子電池陰極中使用的鈷相比，硫的儲量更爲豐富。
但鋰硫電池也存在問題。陰極和陽極都是超活性的。硫陰極非常活潑，在電池運行過程中會溶解；在高溫下，這個問題會變得更嚴重。鋰金屬陽極容易長出枝晶，會導致電池短路，甚至有起火風險。因此，鋰硫電池最多隻能循環使用幾十次。
“如果你想要一個高能量密度的電池，你通常需要使用非常苛刻、複雜的化學物質，”Chen說，“高能量意味着更多的反應發生，這意味着更少的穩定性，更多的降解。製造一種穩定的高能電池本身就是一項艱鉅的任務，試圖在更大的溫度範圍內做到這一點更具挑戰性。”
UCSD研究團隊開發的二丁醚電解質可以防止這些問題。即使在極端溫度下，他們測試的電池也比典型的鋰硫電池有更長的循環壽命。Chen說，“我們的電解液有助於改善陰極側和陽極側，同時提供高導電性和穩定性”。
新型鋰離子電池面世，可無懼嚴寒和酷暑3
美國加州大學聖地亞哥分校工程師開發了一種鋰離子電池，該電池在極寒和酷熱的溫度下表現良好，同時還能儲存大量電能。本週發表在《美國國家科學院院刊》上的一篇論文描述了這種耐溫度變化的電池。
加州大學聖地亞哥分校雅各布斯工程學院納米工程教授、該研究的資深作者陳政說，這種電池可讓寒冷氣候下的電動汽車一次充電就能行駛更遠；還可減少對冷卻系統的需求，以防止車輛的電池組在炎熱氣候下過熱。
研究人員在冰點以下溫度測試電池。圖片來源：David Baillot/加州大學聖地亞哥分校
在測試中，概念驗證電池在-40℃和50℃下分別保留了87.5%和115.9%的電能容量。在這些溫度下，它們還分別具有98.2%和98.7%的高庫侖效率，這意味着電池在停止工作之前可進行更多的充電和放電循環。
研究人員此次開發了一種更好的電解質，這種電解質既耐寒又耐熱，而且與高能陽極和陰極兼容。電解質由二丁醚與鋰鹽混合而成的溶液製成。二丁基醚的一個特點是其分子與鋰離子的結合較弱，當電池運行時，電解質分子很容易釋放鋰離子。
這種電解質的另一個特別之處在於它與鋰硫電池兼容。鋰硫電池是下一代電池技術的重要組成部分，因爲它們有望實現更高的能量密度和更低的成本。但鋰硫電池的陰極和陽極都具有超強反應性。在高溫下，鋰金屬陽極容易形成稱爲枝晶的針狀結構，可刺穿電池的某些部分，導致電池短路。結果，鋰硫電池只能持續數十次循環。
二丁基醚電解質可防止這些問題，即使在高溫和低溫下也是如此。他們測試的電池比典型的鋰硫電池具有更長的循環壽命。研究團隊還通過將硫陰極接枝到聚合物上來設計更穩定的硫陰極。這可以防止更多的硫溶解到電解液中。
團隊表示，下一步研究工作將包括擴大電池化學成分、優化電池以使其在更高的溫度下工作以及進一步延長循環壽命。
