极低气温下锂电池趴窝？科学家提出新解决方案

2021.03.04 财联社/黄君芝

为了探索更具应用前景的锂电池，科学家们都将目光投向了基于纯锂的金属阳极方案，而不是当前普遍采用的混合材料。与此同时，为了攻克其在低温下性能不佳的缺点，研究这一领域的科学家们也一直在“绞尽脑汁”，并已取得了一些突破。

据报道，加州大学圣迭戈分校（UCSD）的研究团队就在试图开发一种可以在极低温度下充电和放电的电池，这通常需要额外的加热系统，不过此次他们将重点放在了电解质上，依靠电解质中的弱结合性，令锂金属电池在寒冷条件下释放出空前性能。

据了解，与当前使用的石墨/铜的混合阳极相比，纯锂金属阳极具有出色的能量密度，因此它被认为是一项很有前途的技术。在如此之大的差异面前，一些电池研究人员甚至将锂金属描述为“梦想材料”，并将其视为打破能量密度瓶颈的关键。

作为在循环过程中于电池两极间来回携带锂离子的溶液，电解质在一块电池中的重要性是不言而喻的。UCSD研究团队此次的目标是开发一种不会结冰的电解质，让锂离子在寒冷的环境中也能进行移动。

具体而言，研究人员用了两种类型的电解质进行实验，其中一种可与离子牢固结合、另一种则要弱得多，进而验证哪种情况更适用于低温工况。

结果发现，在-60℃（-76℉）环境下，采用牢固结合电解质的这组实验电池仅能坚持两个循环，而后就停止了工作。而与之相对的是，使用弱结合电解质的电池在循环50次后仍能平稳运行，并保持76%的容量。若将工作温度改为-40°C（-40°F），这种方案甚至能保持84%的容量。

该研究第一作者John Holoubek表示，“我们发现锂离子与电解质之间的结合、以及离子在电解质中所占据的结构，与它们在低温下的表现有极大的关联。”

值得一提的是，针对此类概念验证电池的进一步研究还表明，弱结合电解质能够让离子更均匀地沉积在电池阳极上，而强结合电解质则会导致块状和针状的沉积（枝晶）。这是研究锂金属电池的科学家们关注的另一个重点，因为它们会迅速导致电池短路和失效等严重故障。

研究人员表示，“通过在原子层面了解锂离子和电解质的相互作用，不仅可以提升锂电池的低温表现，还有助于防止枝晶的形成”

研究小组在这些发现的基础上，建立了一个具有硫基阴极和弱结合电解质的锂金属电池原型。据称，这种设备将有望在外太空探索和深海勘探等领域发挥重要的作用。

“这项工作的意义实际上是双重的，”研究人员说，从科学的角度来说，它提出了与传统观点相反的见解。从技术上讲，这是第一款可在超低温下充电的锂金属电池，它还可以在-60摄氏度完全运行的情况下提供可观的能量密度。这两方面都为超低温电池提供了一个完整的解决方案。

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