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(jìn)能源材料》上。

“我們的團(tuán)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(jī)和手機(jī))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(jìn)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(tuán)簇撞擊陽極表面并形成稱為固體電解質(zhì)界面的保護(hù)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(tuán)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(tuán)隊研究了幾種含氟溶劑。他們能夠確定在零下溫度下從團(tuán)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(tuán)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。