鋰電池工作在-70攝氏度 創(chuàng)歷史新低

中國(guó)的研究人員開發(fā)出一種帶有機(jī)化合物電極的電池，它可以在-70攝氏度的溫度下工作，遠(yuǎn)低于鋰離子電池失去大部分傳導(dǎo)和儲(chǔ)存能量的溫度。這項(xiàng)研究結(jié)果于2月28日發(fā)表在Joule雜志上，可以幫助工程師開發(fā)出適合承受外層最寒冷地區(qū)或地球上最寒冷地區(qū)的技術(shù)。

雖然電池可以在相對(duì)寒冷的氣候下運(yùn)行，但它們有其局限性。當(dāng)溫度達(dá)到-20攝氏度時(shí)，大多數(shù)只能達(dá)到其最佳水平的50%，而在-40攝氏度時(shí)，鋰離子電池只有大約12%的室溫容量。當(dāng)在太空中操作電池時(shí)，這可能會(huì)受到嚴(yán)重限制，溫度可能會(huì)降至-157攝氏度，甚至在加拿大和俄羅斯的部分地區(qū)，溫度可能低于-50攝氏度。

但是，一組電池研究人員發(fā)現(xiàn)了一種即使在其他電池可能發(fā)生故障的情況下也可以運(yùn)行的設(shè) “眾所周知，電解質(zhì)(電極之間攜帶離子的化學(xué)介質(zhì))和電極(帶正電的陰極和帶負(fù)電的陽極)都會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生很大影響，”電池電池性能表示，中國(guó)上海復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系研究員。

當(dāng)它變冷時(shí)，鋰離子電池經(jīng)常使用的酯類常規(guī)電解質(zhì)變成緩慢的導(dǎo)體，并且在電解質(zhì)和電極的界面處發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)難以繼續(xù) - 這意味著鋰離子電池不能保持在極寒的氣候中太好了。這是一個(gè)一直困擾研究人員的問題。

該團(tuán)隊(duì)嘗試使用基于酯(乙酸乙酯)的電解質(zhì)，該電解質(zhì)具有低凝固點(diǎn)，即使在極低溫度下也能夠進(jìn)行充電。對(duì)于電極，它們使用兩種有機(jī)化合物 - 聚三苯胺(PTPAn)陰極和1,4,5,8-萘四羧酸二酐(NTCDA)衍生的聚酰亞胺(PNTCDA)陽極。與鋰離子電池中使用的電極不同，這些有機(jī)化合物不依賴于插層 - 將離子連續(xù)地整合到其分子基質(zhì)中的過程，其隨著溫度下降而減慢。

“受益于乙酸乙酯基電解質(zhì)和有機(jī)聚合物電極，可充電電池可以在-70攝氏度的超低溫下正常工作，”Xia說。

夏和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這可能是比在極端溫度下提升鋰離子電池功能的替代嘗試更優(yōu)雅的解決方案。其他電池研究人員試圖通過開發(fā)添加劑來外部加熱電池或使用液化氣體電解質(zhì)來解決這個(gè)問題，但這些解決方案需要額外的材料來增加額外的重量。

夏認(rèn)為電池的組成也有很多其他生產(chǎn)友好的品質(zhì)。“與傳統(tǒng)鋰離子電池中含過渡金屬的電極材料相比，有機(jī)材料豐富，價(jià)格低廉，環(huán)保，”他說。他估計(jì)電極材料的價(jià)格約為鋰離子電池電極價(jià)格的三分之一。

但是，電池在準(zhǔn)備離開實(shí)驗(yàn)室之前仍需要進(jìn)行一些調(diào)整。Xia認(rèn)為，與商業(yè)化的鋰離子電池相比，電池的比能量(每單位質(zhì)量的能量)仍然較低，并且裝配過程需要進(jìn)一步優(yōu)化。“但即使它具有較低的比能量，它提供的最多在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，“夏說。