电池怕极端温度易罢工？耐受零下60度低温的新研究来了

机器之心报道

编辑：袁铭怿、陈萍

近来，研究发现了一种用于下一代锂离子电池的新型电解质，可以帮助电动汽车、手机和其他电子产品在极端冰冻温度下运行甚至快速充电。

当前，电动汽车越来越受欢迎，尽管如此，总有消费者对其避之不及，其中一个原因在于电动汽车的电池在寒冷天气下所发挥出的性能不尽人意。最近，研究发现了一种用于下一代锂离子电池的新型电解质，它可以帮助电动汽车、手机和其他电子产品在极端冰冻温度下运行，甚至可以快速充电。

不仅如此，电池在卫星、空间探测器和载人航天任务中的潜在用途同样引人注目，当然所有这些应用都需要在极端寒冷的条件下才能充分运作。在美国，「超过一半的州冬季气温都在零度以下，」该研究的主要作者、马里兰大学帕克分校的博士后研究员 Jijian Xu 说道。「因此，设计出能够在低温下工作的电池至关重要。」

一开始，任何新的电解质可能都比已经商业化的电解质更昂贵。尽管如此，该研究的第二作者、马里兰大学化学和生物分子工程学教授 Chunsheng Wang 认为，这项新研究中的化合物是用普通溶剂和盐制成的，没有毒害成分。Jijian Xu 还补充道，在大规模生产时，通过优化合成途径，新型电解质的成本很有可能降低。

下一代高性能锂离子电池可能包括 NMC811 这样的组件，它由 80% 的镍、10% 的钴和 10% 的锰组成。NMC811 因其质量可以储存大量能量，并且钴含量低，之所以强调这一点，是因为钴太昂贵了，这使其在成本方面具有吸引力。

NMC811 锂离子电池的理想电解质不仅有助于支持超过 4.5 伏的更高电压，以获得更大的能量密度和 15 分钟内更快的充电速度，而且研究证明该类电解质性能安全，可以在 - 60 到 60 摄氏度的温度范围内工作，但是，这些只是在理想状态下。然而，目前还没有一种电解质同时满足所有这些要求。例如，它们的工作温度通常为 - 20 至 50 摄氏度，并且高度易燃。

Jijian Xu 认为：「根据记录，美国有史以来的最低气温是阿拉斯加的零下 62 摄氏度，加州的最高气温是 57 摄氏度。我们需要一个更强大的储能系统，能够在极端冰冻温度下可靠地工作。与传统锂离子电池相比，极限锂离子电池有潜力促进电动汽车、航空和国防应用的利用。」

目前，电池电解质的开发主要依赖于不断的试错，「目前我们缺乏电解质设计的指导原则，」Chunsheng Wang 教授说。在这项新研究中，研究人员试图为在极端条件下工作的电池开发通用电解质设计原则。

科学家们专注于创造一种既能保持稳定和安全、又能让锂离子电池在大范围的温度下在高电压下工作的电解质。电解液还需要允许锂离子以相对较低的能量溶解，以帮助电流在电池内部流动，同时也要限制电镀锂的发展，因为电镀锂会降低电池容量，锂峰值会损坏电池内部并导致短路。

用于极端锂离子电池的新型电解质设计提供了快速锂离子传输 [右] 和宽温度范围 (±60°C) 稳定性 [左]。

研究小组的计算表明，一组软溶剂可能是有用的。相比硬溶剂由原子或离子组成、半径小、电荷高，软溶剂通常半径大、电荷低。

目前锂离子电池中的电解质溶剂经常与锂离子紧密结合以溶解锂盐。然而，溶剂和锂离子之间的结合能越大，锂离子从溶液中出来就越困难。在这项新研究中，科学家们发现了一种软溶剂，锂盐可以在其中溶解，同时最大限度地减少溶剂和锂离子之间的结合量。

此外，研究人员在电解液中添加了防止锂电镀和在低温下形成脉冲的成分。相反，电极表面形成了相对导电的薄层，支持锂离子快速流动，以提升充电效率。

在 4.5 伏锂离子电池 NMC811 阴极和石墨阳极的测试中，设备在 - 50 摄氏度充电和放电时保持其室温容量的四分之三，在 - 60 摄氏度充电和放电时保持一半以上，充电时间约为 15 分钟。

Jijian Xu 说：「我们的发现，为锂离子电池在较广温度范围内（例如，从佛罗里达的炎热夏天到阿拉斯加的寒冷冬天）为电动汽车供电提供了一种实用的解决方案。此外，极限电池可以用于极地科学研究。或者，极限电池可以用于外太空，比如月球探测。」

尽管如此，Jijian Xu 强调道：「60 摄氏度的高温性能仍然远远不够，我们还需投入更多的努力来展开进一步的研究。」

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