來自加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校（UC San Diego）的研究人員在加熱到50°C的烤箱中測試軟包電池的高性能。先進(jìn)電解液促進(jìn)鋰硫電池的研發(fā)，可在極端溫度下發(fā)揮良好性能。
一種用于鋰硫電池的液體電解質(zhì)為在高溫和低溫下工作鋪平了道路。
雖然鋰基電池成為許多電子設(shè)備以及電動汽車的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，但它們在極端溫度下不可以正常工作，這將給鋰基電池在未來的發(fā)展帶來困難。
幸虧有來自加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的工程師，他們或許改變這種現(xiàn)象，工程師們研發(fā)的鋰硫電池在光譜兩端的極端溫度下表現(xiàn)性能良好，比如，即使在高能量密度下運行，也可以極冷或極熱的情況下正常工作。
研究人員表示，該發(fā)明為電動汽車充電一次可在嚴(yán)寒氣候下行駛更遠(yuǎn)鋪平了道路。他們表示，這樣還可以通過減少甚至消除冷卻系統(tǒng)的需要來節(jié)省制造商的資金，冷卻系統(tǒng)可以防止電池在極端炎熱的地方過熱。
負(fù)責(zé)研究的加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院納米工程教授Zheng Chen在采訪中表示，由于電動汽車電池組通常位于汽車底部，暴露在炎熱的道路上，需要“在環(huán)境溫度能達(dá)到三位數(shù)的區(qū)域進(jìn)行高溫操作。”
同時也是加州大學(xué)圣地亞哥分?？沙掷m(xù)電力和能源中心教員的Chen教授說：“電池在運行過程中只要有電流通過就會發(fā)熱。如果電池不能忍受這種高溫預(yù)熱，它們的性能將迅速下降。”
影響因素
研究人員說，這種新穎設(shè)計的關(guān)鍵是由Chen的團(tuán)隊開發(fā)的一種新型電解質(zhì)，它可以在很寬的溫度范圍內(nèi)發(fā)揮最佳作用。它還具有與高能陽極和陰極的兼容性，以促進(jìn)一個完整的原型設(shè)備的發(fā)展。
該電解液由二丁基醚的液體溶液與鋰鹽混合而成。研究人員說，正是這種材料的液體部分賦予了它在極端溫度下工作的能力。
二丁基醚的特殊特性是其分子與鋰離子結(jié)合較弱；這意味著電解液分子可以在電池運行時輕易釋放鋰離子。研究人員在之前的研究中發(fā)現(xiàn)了這種弱分子相互作用，他們發(fā)現(xiàn)在零度以下的溫度環(huán)境下可以改善電池性能。
研究人員說，這種液體在高溫下也能很好地工作，因為其沸點在141攝氏度（C）/286華氏度（F），在高溫狀態(tài)下仍保持液態(tài)。
鋰硫是未來嗎？
雖然這種電解質(zhì)在極端溫度下工作的能力很好，但研究人員說，除非它能與鋰硫電池兼容，否則它對這項特殊的研究沒有用處。他們說，事實上，它似乎可以防止鋰硫電池內(nèi)部的一些關(guān)鍵反應(yīng)，這些反應(yīng)阻礙了鋰硫電池在電動汽車和其他應(yīng)用領(lǐng)域的長期生存能力。
鋰硫電池由鋰金屬制成的陽極和硫基陰極組成?？茖W(xué)家們相信它們將成為未來最主要的電池設(shè)計，因為它們每千克能比目前的鋰離子設(shè)計多儲存兩倍的能量——就電動汽車而言，這可以在不加重電池組重量的情況下使續(xù)航里程翻倍。
這些設(shè)備還可以降低制造成本，尤其是因為其核心使用地質(zhì)豐富的材料來代替鋰，鋰的來源既復(fù)雜又不道德。
然而，鋰硫電池并非毫無缺點；陰極與陽極存在固有的性能問題，這使得之前的設(shè)備無法持續(xù)數(shù)十個循環(huán)以上。
硫陰極在電池運行期間易分解，這種情況在高溫環(huán)境更易惡化。此外，鋰金屬陽極易形成枝晶，刺穿電池，導(dǎo)致電池失效，有時甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的后果。
Chen承認(rèn)，所有這些使得開發(fā)一種能夠在高能量密度下工作的鋰硫電池成為一項艱巨的任務(wù)，這是電動汽車的要求，當(dāng)它必須在較寬的溫度范圍內(nèi)工作時，這就變得更加復(fù)雜。
他在新聞發(fā)言中表示：“如果想要高能量密度的電池，通常需要使用非?？量糖覐?fù)雜的化學(xué)物質(zhì)。高能意味著發(fā)生更多的反應(yīng)，穩(wěn)定性降低，降解加劇。”
電解質(zhì)的拯救
幸運的是，研究人員發(fā)現(xiàn)即使在高溫與低溫的環(huán)境下，由圣地亞哥團(tuán)隊研發(fā)的二丁基醚電解液可有效阻止這些問題。該團(tuán)隊還將硫陰極嫁接到一種聚合物上，使其更加穩(wěn)定，他們表示，這樣可以防止更多的硫溶解到電解液中。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在實驗室測試中，這種設(shè)備可以比典型的鋰硫電池維持更長的循環(huán)壽命。
具體而言，概念驗證電池可分別在-40度和50度（-104華氏度和122華氏度）維持87.5%與115.9%的能量容量。研究人員表示，在這些溫度下，電池的庫侖效率也很高，分別為98.2%和98.7%，這意味著電池在停止工作前可以經(jīng)歷更多的充電和放電循環(huán)。
Chen在新聞發(fā)言中表示：“我們的電解液有效改善了陰極與陽極，同時提供高導(dǎo)電性和界面穩(wěn)定性。”
研究人員在《Proceedings of the National Academy of Sciences》（PNAS）雜志中發(fā)表相關(guān)論文。
該團(tuán)隊計劃繼續(xù)在電池化學(xué)方面進(jìn)行研究。研究人員表示，他們希望對其進(jìn)行優(yōu)化，使其在溫度范圍兩端的更高溫度下工作，并進(jìn)一步延長其循環(huán)壽命。
中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會 楊柳翻譯
2022.10.10