機器之心報導
編輯：袁銘懌、陳萍
近來，研究發現了一種用於下一代鋰離子電池的新型電解質，可以幫助電動汽車、手機和其他電子產品在極端冰凍溫度下運行甚至快速充電。
當前，電動汽車越來越受歡迎，儘管如此，總有消費者對其避之不及，其中一個原因在於電動汽車的電池在寒冷天氣下所發揮出的性能不盡人意。最近，研究發現了一種用於下一代鋰離子電池的新型電解質，它可以幫助電動汽車、手機和其他電子產品在極端冰凍溫度下運行，甚至可以快速充電。
不僅如此，電池在衛星、空間探測器和載人航天任務中的潛在用途同樣引人注目，當然所有這些應用都需要在極端寒冷的條件下才能充分運作。在美國，「超過一半的州冬季氣溫都在零度以下，」該研究的主要作者、馬里蘭大學帕克分校的博士後研究員 Jijian Xu 說道。「因此，設計出能夠在低溫下工作的電池至關重要。」
一開始，任何新的電解質可能都比已經商業化的電解質更昂貴。儘管如此，該研究的第二作者、馬里蘭大學化學和生物分子工程學教授 Chunsheng Wang 認為，這項新研究中的化合物是用普通溶劑和鹽製成的，沒有毒害成分。Jijian Xu 還補充道，在大規模生產時，通過優化合成途徑，新型電解質的成本很有可能降低。
下一代高性能鋰離子電池可能包括 NMC811 這樣的組件，它由 80% 的鎳、10% 的鈷和 10% 的錳組成。NMC811 因其質量可以儲存大量能量，並且鈷含量低，之所以強調這一點，是因為鈷太昂貴了，這使其在成本方面具有吸引力。
NMC811 鋰離子電池的理想電解質不僅有助於支持超過 4.5 伏的更高電壓，以獲得更大的能量密度和 15 分鐘內更快的充電速度，而且研究證明該類電解質性能安全，可以在 - 60 到 60 攝氏度的溫度範圍內工作，但是，這些只是在理想狀態下。然而，目前還沒有一種電解質同時滿足所有這些要求。例如，它們的工作溫度通常為 - 20 至 50 攝氏度，並且高度易燃。
Jijian Xu 認為：「根據記錄，美國有史以來的最低氣溫是阿拉斯加的零下 62 攝氏度，加州的最高氣溫是 57 攝氏度。我們需要一個更強大的儲能系統，能夠在極端冰凍溫度下可靠地工作。與傳統鋰離子電池相比，極限鋰離子電池有潛力促進電動汽車、航空和國防應用的利用。」
目前，電池電解質的開發主要依賴於不斷的試錯，「目前我們缺乏電解質設計的指導原則，」Chunsheng Wang 教授說。在這項新研究中，研究人員試圖為在極端條件下工作的電池開發通用電解質設計原則。
科學家們專注於創造一種既能保持穩定和安全、又能讓鋰離子電池在大範圍的溫度下在高電壓下工作的電解質。電解液還需要允許鋰離子以相對較低的能量溶解，以幫助電流在電池內部流動，同時也要限制電鍍鋰的發展，因為電鍍鋰會降低電池容量，鋰峰值會損壞電池內部並導致短路。
用於極端鋰離子電池的新型電解質設計提供了快速鋰離子傳輸 [右] 和寬溫度範圍 (±60°C) 穩定性 [左]。
研究小組的計算表明，一組軟溶劑可能是有用的。相比硬溶劑由原子或離子組成、半徑小、電荷高，軟溶劑通常半徑大、電荷低。
目前鋰離子電池中的電解質溶劑經常與鋰離子緊密結合以溶解鋰鹽。然而，溶劑和鋰離子之間的結合能越大，鋰離子從溶液中出來就越困難。在這項新研究中，科學家們發現了一種軟溶劑，鋰鹽可以在其中溶解，同時最大限度地減少溶劑和鋰離子之間的結合量。
此外，研究人員在電解液中添加了防止鋰電鍍和在低溫下形成脈衝的成分。相反，電極表面形成了相對導電的薄層，支持鋰離子快速流動，以提升充電效率。
在 4.5 伏鋰離子電池 NMC811 陰極和石墨陽極的測試中，設備在 - 50 攝氏度充電和放電時保持其室溫容量的四分之三，在 - 60 攝氏度充電和放電時保持一半以上，充電時間約為 15 分鐘。
Jijian Xu 說：「我們的發現，為鋰離子電池在較廣溫度範圍內（例如，從佛羅里達的炎熱夏天到阿拉斯加的寒冷冬天）為電動汽車供電提供了一種實用的解決方案。此外，極限電池可以用於極地科學研究。或者，極限電池可以用於外太空，比如月球探測。」
儘管如此，Jijian Xu 強調道：「60 攝氏度的高溫性能仍然遠遠不夠，我們還需投入更多的努力來展開進一步的研究。」
https://spectrum.ieee.org/cold-weather-car-battery