研究人員制造出在-20°C以下溫度下工作的電池

多年來，鋰離子電池的能量密度不斷增加，也使得電動(dòng)汽車的續(xù)航里程更長。但隨著冬季氣溫的升高，續(xù)航里程仍舊會(huì)面臨直線下降的問題。電池性能的下降也成為了客戶不想購買電動(dòng)汽車的原因之一。

通過重新設(shè)計(jì)電池電解質(zhì)，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)制造出一種在-20°C以下溫度下工作的電池。與研究人員迄今為止研發(fā)的其他寒冷天氣電池相比，這種電池的使用壽命超過一年，創(chuàng)下了歷史新高。

如今的電池在0°C到40°C之間的溫度下工作良好。為了更廣泛地部署，開發(fā)人員正在努力制造在-40°C到60°C的更寬溫度范圍內(nèi)工作的電池。北京理工大學(xué)的Chong Yan表示：“鋰離子電池在低溫下的高能量密度和長壽命是全氣候電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵?！?/p>

大容量電池在寒冷天氣下拖累電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程

如今，為了讓電池在寒冷中工作，制造商增加了外部絕緣和熱量。但這也增加了體積，額外的重量增加也會(huì)降低行駛里程。此外，它不適合用于重量敏感應(yīng)用型的寒冷天氣電池，如高空無人機(jī)和衛(wèi)星。

許多研究人員正試圖通過關(guān)注在電池電極之間穿梭鋰離子的電解質(zhì)來提高電池在低溫下的性能。寒冷的溫度會(huì)使這些電解質(zhì)變厚，因此離子移動(dòng)速度較慢，導(dǎo)致容量損失和充電緩慢。一些團(tuán)隊(duì)最近使用低溫溶劑制造電解質(zhì)，或在電解質(zhì)中測(cè)試化學(xué)添加劑，以幫助提高其耐寒性。另有研究人員已經(jīng)配制出了全新的電解質(zhì)，可以處理各種溫度。

Yan和清華大學(xué)的Qiang Zhang及其同事專注于低溫溶劑方法。雖然這種溶劑有助于提升寒冷天氣下的性能，但眾所周知，它們?cè)诟邷叵聲?huì)產(chǎn)生氣體，從而縮短電池壽命。“然而，氣體的產(chǎn)生機(jī)制和相應(yīng)的抑制策略仍然未知，”Yan說。

在他們發(fā)表在Matter雜志上的論文中，研究人員現(xiàn)在揭示了這種氣體產(chǎn)生背后的機(jī)制，并提出了他們?cè)O(shè)計(jì)的一種新的高濃度電解質(zhì)作為解決這個(gè)問題的方法。

他們發(fā)現(xiàn)，鋰電鍍——鋰金屬在電池石墨陽極表面的積聚——是產(chǎn)生氣體的罪魁禍?zhǔn)?。在冬季的溫度下，由于鋰離子移動(dòng)緩慢，當(dāng)它們從電解質(zhì)進(jìn)入石墨時(shí)，往往會(huì)變得擁擠，因此一些鋰金屬最終會(huì)堆積在表面。研究人員發(fā)現(xiàn)，常用的低溫溶劑乙酸乙酯與這種鍍鋰發(fā)生劇烈反應(yīng)，形成氫氣和乙烷氣體。氣體積聚產(chǎn)生的壓力最終會(huì)使電極破裂，使電池失效。

寒冷天氣采用新型電解質(zhì)

為了對(duì)抗這種氣體的產(chǎn)生，研究人員將比平時(shí)更多的鋰鹽溶解在由90%乙酸乙酯和10%碳酸氟乙烯酯組成的溶劑中，制成了一種電解質(zhì)。

然后，研究人員用這種電解質(zhì)、石墨陽極和NMC811陰極制作了一個(gè)電池，NMC811由80%的鎳、10%的鈷和10%的錳制成。NMC811陰極用于當(dāng)今的高性能鋰離子電池，因?yàn)樗鼈兙哂懈吣芰棵芏?，并且很少使用昂貴的鈷。

Yan說：“我們使用的所有材料都是商用的，擬議的電解質(zhì)可以合理地大規(guī)模生產(chǎn)?！边@使得新方法很容易適用于當(dāng)今常見的電池化學(xué)和制造工藝。

研究人員表明，使用乙酸乙酯作為主要溶劑可以使電池在低至-40°C的溫度下工作。與此同時(shí)，鋰鹽與氟乙烯碳酸酯反應(yīng)，在陽極上形成一層固體層，該固體層傳導(dǎo)鋰離子，但也保護(hù)任何不可避免地鍍?cè)诒砻娴慕饘黉?。保護(hù)層防止鍍覆的鋰與乙酸乙酯反應(yīng)并形成氣體。

在測(cè)試中，電池在-40°C時(shí)保持了超過四分之三的室溫容量。它們可以充電1400多次，這是一個(gè)電池一年內(nèi)的平均充電次數(shù)。

Yan說，盡管如此，仍有一些瓶頸需要克服。與傳統(tǒng)電解質(zhì)相比，該電解質(zhì)的成本相對(duì)較高，并且電池在低于-50°C的溫度下無法有效工作。因此，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在計(jì)劃“進(jìn)一步優(yōu)化鋰鹽的濃度和溶劑的類型，努力降低電解質(zhì)的成本”，并提高低溫性能。