極低氣溫下鋰電池趴窩？科學(xué)家提出新解決方案

為了探索更具應(yīng)用前景的鋰電池，科學(xué)家們都將目光投向了基于純鋰的金屬陽極方案，而不是當(dāng)前普遍采用的混合材料。與此同時(shí)，為了攻克其在低溫下性能不佳的缺點(diǎn)，研究這一領(lǐng)域的科學(xué)家們也一直在“絞盡腦汁”，并已取得了一些突破。

據(jù)報(bào)道，加州大學(xué)圣迭戈分校（UCSD）的研究團(tuán)隊(duì)就在試圖開發(fā)一種可以在極低溫度下充電和放電的電池，這通常需要額外的加熱系統(tǒng)，不過此次他們將重點(diǎn)放在了電解質(zhì)上，依靠電解質(zhì)中的弱結(jié)合性，令鋰金屬電池在寒冷條件下釋放出空前性能。

據(jù)了解，與當(dāng)前使用的石墨/銅的混合陽極相比，純鋰金屬陽極具有出色的能量密度，因此它被認(rèn)為是一項(xiàng)很有前途的技術(shù)。在如此之大的差異面前，一些電池研究人員甚至將鋰金屬描述為“夢想材料”，并將其視為打破能量密度瓶頸的關(guān)鍵。

作為在循環(huán)過程中于電池兩極間來回?cái)y帶鋰離子的溶液，電解質(zhì)在一塊電池中的重要性是不言而喻的。UCSD研究團(tuán)隊(duì)此次的目標(biāo)是開發(fā)一種不會(huì)結(jié)冰的電解質(zhì)，讓鋰離子在寒冷的環(huán)境中也能進(jìn)行移動(dòng)。

具體而言，研究人員用了兩種類型的電解質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中一種可與離子牢固結(jié)合、另一種則要弱得多，進(jìn)而驗(yàn)證哪種情況更適用于低溫工況。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在-60℃（-76℉）環(huán)境下，采用牢固結(jié)合電解質(zhì)的這組實(shí)驗(yàn)電池僅能堅(jiān)持兩個(gè)循環(huán)，而后就停止了工作。

而與之相對的是，使用弱結(jié)合電解質(zhì)的電池在循環(huán)50次后仍能平穩(wěn)運(yùn)行，并保持76%的容量。若將工作溫度改為-40°C（-40°F），這種方案甚至能保持84%的容量。

該研究第一作者John Holoubek表示，“我們發(fā)現(xiàn)鋰離子與電解質(zhì)之間的結(jié)合、以及離子在電解質(zhì)中所占據(jù)的結(jié)構(gòu)，與它們在低溫下的表現(xiàn)有極大的關(guān)聯(lián)。”

值得一提的是，針對此類概念驗(yàn)證電池的進(jìn)一步研究還表明，弱結(jié)合電解質(zhì)能夠讓離子更均勻地沉積在電池陽極上，而強(qiáng)結(jié)合電解質(zhì)則會(huì)導(dǎo)致塊狀和針狀的沉積（枝晶）。

這是研究鋰金屬電池的科學(xué)家們關(guān)注的另一個(gè)重點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儠?huì)迅速導(dǎo)致電池短路和失效等嚴(yán)重故障。

研究人員表示，“通過在原子層面了解鋰離子和電解質(zhì)的相互作用，不僅可以提升鋰電池的低溫表現(xiàn)，還有助于防止枝晶的形成”

研究小組在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)具有硫基陰極和弱結(jié)合電解質(zhì)的鋰金屬電池原型。據(jù)稱，這種設(shè)備將有望在外太空探索和深海勘探等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

“這項(xiàng)工作的意義實(shí)際上是雙重的，”研究人員說，從科學(xué)的角度來說，它提出了與傳統(tǒng)觀點(diǎn)相反的見解。

從技術(shù)上講，這是第一款可在超低溫下充電的鋰金屬電池，它還可以在-60攝氏度完全運(yùn)行的情況下提供可觀的能量密度。這兩方面都為超低溫電池提供了一個(gè)完整的解決方案。