極低氣溫下鋰電池趴窩？科學家提出新解決方案
時間:2021-03-03 09:17來源:科創板日報 作者:綜合報道
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為了探索更具應用前景的鋰電池，科學家們都將目光投向了基于純鋰的金屬陽極方案，而不是當前普遍采用的混合材料。與此同時，為了攻克其在低溫下性能不佳的缺點，研究這一領域的科學家們也一直在“絞盡腦汁”，并已取得了一些突破。
據報道，加州大學圣迭戈分校（UCSD）的研究團隊就在試圖開發一種可以在極低溫度下充電和放電的電池，這通常需要額外的加熱系統，不過此次他們將重點放在了電解質上，依靠電解質中的弱結合性，令鋰金屬電池在寒冷條件下釋放出空前性能。
據了解，與當前使用的石墨/銅的混合陽極相比，純鋰金屬陽極具有出色的能量密度，因此它被認為是一項很有前途的技術。在如此之大的差異面前，一些電池研究人員甚至將鋰金屬描述為“夢想材料”，并將其視為打破能量密度瓶頸的關鍵。
作為在循環過程中于電池兩極間來回攜帶鋰離子的溶液，電解質在一塊電池中的重要性是不言而喻的。UCSD研究團隊此次的目標是開發一種不會結冰的電解質，讓鋰離子在寒冷的環境中也能進行移動。
具體而言，研究人員用了兩種類型的電解質進行實驗，其中一種可與離子牢固結合、另一種則要弱得多，進而驗證哪種情況更適用于低溫工況。
結果發現，在-60℃（-76℉）環境下，采用牢固結合電解質的這組實驗電池僅能堅持兩個循環，而后就停止了工作。而與之相對的是，使用弱結合電解質的電池在循環50次后仍能平穩運行，并保持76%的容量。若將工作溫度改為-40°C（-40°F），這種方案甚至能保持84%的容量。
該研究第一作者John Holoubek表示，“我們發現鋰離子與電解質之間的結合、以及離子在電解質中所占據的結構，與它們在低溫下的表現有極大的關聯。”
值得一提的是，針對此類概念驗證電池的進一步研究還表明，弱結合電解質能夠讓離子更均勻地沉積在電池陽極上，而強結合電解質則會導致塊狀和針狀的沉積（枝晶）。這是研究鋰金屬電池的科學家們關注的另一個重點，因為它們會迅速導致電池短路和失效等嚴重故障。
研究人員表示，“通過在原子層面了解鋰離子和電解質的相互作用，不僅可以提升鋰電池的低溫表現，還有助于防止枝晶的形成”
研究小組在這些發現的基礎上，建立了一個具有硫基陰極和弱結合電解質的鋰金屬電池原型。據稱，這種設備將有望在外太空探索和深海勘探等領域發揮重要的作用。
“這項工作的意義實際上是雙重的，”研究人員說，從科學的角度來說，它提出了與傳統觀點相反的見解。從技術上講，這是第一款可在超低溫下充電的鋰金屬電池，它還可以在-60攝氏度完全運行的情況下提供可觀的能量密度。這兩方面都為超低溫電池提供了一個完整的解決方案。
(責任編輯：子蕊)
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