來(lái)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備以及電動(dòng)汽車(chē)的業(yè)界標準，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(lái)的發(fā)展帶來(lái)困難。

幸虧有來(lái)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(dòng)汽車(chē)充電一次可在嚴寒氣候下行駛更遠鋪平了道路。他們表示，這樣還可以通過(guò)減少甚至消除冷卻系統的需要來(lái)節省制造商的資金，冷卻系統可以防止電池在極端炎熱的地方過(guò)熱。

負責研究的加州大學(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(fǎng)中表示，由于電動(dòng)汽車(chē)電池組通常位于汽車(chē)底部，暴露在炎熱的道路上，需要“在環(huán)境溫度能達到三位數的區域進(jìn)行高溫操作。”

同時(shí)也是加州大學(xué)圣地亞哥分?？沙掷m電力和能源中心教員的Chen教授說(shuō)：“電池在運行過(guò)程中只要有電流通過(guò)就會(huì )發(fā)熱。如果電池不能忍受這種高溫預熱，它們的性能將迅速下降。”

影響因素

研究人員說(shuō)，這種新穎設計的關(guān)鍵是由Chen的團隊開(kāi)發(fā)的一種新型電解質(zhì)，它可以在很寬的溫度范圍內發(fā)揮最佳作用。它還具有與高能陽(yáng)極和陰極的兼容性，以促進(jìn)一個(gè)完整的原型設備的發(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(shuō)，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合較弱；這意味著(zhù)電解液分子可以在電池運行時(shí)輕易釋放鋰離子。研究人員在之前的研究中發(fā)現了這種弱分子相互作用，他們發(fā)現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(shuō)，這種液體在高溫下也能很好地工作，因為其沸點(diǎn)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(lái)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(shuō)，除非它能與鋰硫電池兼容，否則它對這項特殊的研究沒(méi)有用處。他們說(shuō)，事實(shí)上，它似乎可以防止鋰硫電池內部的一些關(guān)鍵反應，這些反應阻礙了鋰硫電池在電動(dòng)汽車(chē)和其他應用領(lǐng)域的長(cháng)期生存能力。

鋰硫電池由鋰金屬制成的陽(yáng)極和硫基陰極組成?？茖W(xué)家們相信它們將成為未來(lái)最主要的電池設計，因為它們每千克能比目前的鋰離子設計多儲存兩倍的能量——就電動(dòng)汽車(chē)而言，這可以在不加重電池組重量的情況下使續航里程翻倍。

這些設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(lái)代替鋰，鋰的來(lái)源既復雜又不道德。

然而，鋰硫電池并非毫無(wú)缺點(diǎn)；陰極與陽(yáng)極存在固有的性能問(wèn)題，這使得之前的設備無(wú)法持續數十個(gè)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(yáng)極易形成枝晶，刺穿電池，導致電池失效，有時(shí)甚至會(huì )造成災難性的后果。

Chen承認，所有這些使得開(kāi)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(dòng)汽車(chē)的要求，當它必須在較寬的溫度范圍內工作時(shí)，這就變得更加復雜。

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?？量糖覐碗s的化學(xué)物質(zhì)。高能意味著(zhù)發(fā)生更多的反應，穩定性降低，降解加劇。”

電解質(zhì)的拯救

幸運的是，研究人員發(fā)現即使在高溫與低溫的環(huán)境下，由圣地亞哥團隊研發(fā)的二丁基醚電解液可有效阻止這些問(wèn)題。該團隊還將硫陰極嫁接到一種聚合物上，使其更加穩定，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，在實(shí)驗室測試中，這種設備可以比典型的鋰硫電池維持更長(cháng)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(zhù)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(yáng)極，同時(shí)提供高導電性和界面穩定性。”

研究人員在《Proceedings of the National Academy of Sciences》（PNAS）雜志中發(fā)表相關(guān)論文。

該團隊計劃繼續在電池化學(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(cháng)其循環(huán)壽命。

中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì ) 楊柳翻譯

2022.10.10