許多電動汽車的車主擔(dān)心他們的電池在非常寒冷的天氣里會有多有效。現(xiàn)在，一種新的電池化學(xué)方法可能已經(jīng)解決了這個問題。

【資料圖】

在目前的鋰離子電池中，主要問題在于液體電解質(zhì)。這個關(guān)鍵的電池組件在電池的兩個電極之間轉(zhuǎn)移稱為離子的電荷攜帶顆粒，導(dǎo)致電池充電和放電。但是液體在零下的溫度下開始凍結(jié)。這種情況嚴(yán)重限制了在寒冷地區(qū)和季節(jié)為電動汽車充電的有效性。

為了解決這個問題，來自美國能源部(DOE)阿貢和勞倫斯伯克利國家實驗室的一組科學(xué)家開發(fā)了一種含氟電解質(zhì)，即使在零度以下的溫度下也能很好地發(fā)揮作用。

該研究發(fā)表在《先進能源材料》上。

“我們的團隊不僅發(fā)現(xiàn)了一種防凍電解液，其充電性能在零下4華氏度時不會下降，而且我們還在原子水平上發(fā)現(xiàn)了它如此有效的原因，”高級化學(xué)家和阿貢化學(xué)科學(xué)與工程部門的組長正成“約翰”張說。

這種低溫電解質(zhì)有望用于電動汽車中的電池，以及電網(wǎng)和消費電子產(chǎn)品(如計算機和手機)的儲能。

在當(dāng)今的鋰離子電池中，電解質(zhì)是廣泛使用的鹽(六氟磷酸鋰)和碳酸酯溶劑(如碳酸乙烯酯)的混合物。溶劑溶解鹽形成液體。

當(dāng)電池充電時，液體電解質(zhì)將鋰離子從陰極(含鋰氧化物)穿梭到陽極(石墨)。這些離子從陰極遷移出來，然后通過電解質(zhì)進入陽極。當(dāng)通過電解質(zhì)運輸時，它們位于四個或五個溶劑分子簇的中心。

在最初的幾次充電中，這些團簇撞擊陽極表面并形成稱為固體電解質(zhì)界面的保護層。一旦形成，該層就像一個過濾器。它只允許鋰離子通過層，同時阻斷溶劑分子。通過這種方式，陽極能夠?qū)囋哟鎯υ趲щ姷氖Y(jié)構(gòu)中。放電后，電化學(xué)反應(yīng)從鋰中釋放出電子，產(chǎn)生可以為車輛提供動力的電力。

問題是在低溫下，含有碳酸鹽溶劑的電解質(zhì)開始凍結(jié)。結(jié)果，它失去了在帶電時將鋰離子輸送到陽極的能力。這是因為鋰離子在溶劑簇中緊密結(jié)合。因此，與室溫相比，這些離子需要更高的能量來排出其團簇并穿透界面層。出于這個原因，科學(xué)家們一直在尋找更好的溶劑。

該團隊研究了幾種含氟溶劑。他們能夠確定在零下溫度下從團簇中釋放鋰離子具有最低能量勢壘的成分。他們還在原子尺度上確定了為什么這種特殊的成分如此有效。這取決于氟原子在每個溶劑分子中的位置及其數(shù)量。

在實驗室電池的測試中，該團隊的氟化電解質(zhì)在零下400華氏度下保持了4次充放電循環(huán)的穩(wěn)定儲能容量。即使在零下的溫度下，其容量也相當(dāng)于室溫下使用傳統(tǒng)碳酸鹽基電解質(zhì)的電池的容量。

“因此，我們的研究展示了如何定制電解質(zhì)溶劑的原子結(jié)構(gòu)，以設(shè)計用于零下溫度的新電解質(zhì)，”張說。

防凍電解質(zhì)具有額外的特性。它比目前使用的碳酸鹽基電解質(zhì)安全得多，因為它不會著火。

“我們正在為我們的低溫和更安全的電解質(zhì)申請專利，現(xiàn)在正在尋找一個工業(yè)合作伙伴，使其適應(yīng)他們的鋰離子電池設(shè)計之一，”張說。

除了John Zhang之外，Argonne的作者還有Dong-Joo Yoo，Qian Liu和Minkyu Kim。伯克利實驗室的作者是Orion Cohen和Kristin Persson。