judy-- 周二, 02/14/2023 - 11:50
美国马里兰大学化学与生物分子工程系教授、极端电池研究中心主任王春生团队，提出了一种全新的电解液设计方法，将锂离子电池的工作温区从（-20℃，+50℃）扩展到（-60℃，+60℃）。
今年春运一位开电动车回家的车主上了热搜，起因是他开的特斯拉model Y，从青岛到牡丹江约2000公里的路程充了14次电。这主要是因为冬季电动车续航严重下降，特斯拉model Y标准续航版标称的续航里程是435公里，在青岛的续航大概可以维持在350公里左右，而进入辽宁省以后，车辆的续航就掉到了240公里上下。
导致续航骤降最大的原因就是气温，现如今无论是电动汽车还是智能手机使用的基本上都是锂离子电池。当温度降低，锂离子电池的溶剂分子之间偶极作用增强，使得溶剂凝固。固化后的电解质基本丧失传导锂离子的能力，限制了锂离子与电极作用。常规基于碳酸酯的商用电解液在大约 -30℃ 的低温下就会凝固，导致电池无法正常工作 。
近日，一项针对上述缺陷的研究成果于发表，美国马里兰大学化学与生物分子工程系教授、极端电池研究中心主任王春生团队，提出了一种全新的电解液设计方法，将锂离子电池的工作温区从（-20℃，+50℃）扩展到（-60℃，+60℃）。相关论文以《极端工作条件下锂离子电池的电解液设计》（Electrolyte design for Li-ion batteries under extreme operating conditions）为题发表在Nature上。
当前基于碳酸酯的电解液不能满足锂离子电池（LIBs）大部分极端条件下的要求，因为它们的电压窗口被限制在4.3V，它们的工作温度范围很窄（-20℃到+50℃），而且易燃。之前的研究一般通过引入一系列低凝固点的共溶剂，如线性羧酸酯或醚，来降低电解液的凝固点，从而实现低温工作。然而，这些羧酸酯类和醚类的电化学稳定性较窄。
而此项研究的核心是筛选具有较低施主数（小于10）和高介电常数（大于5）的溶剂，从而保证锂盐的解离，同时最大限度地减小锂离子脱溶剂化能。然后研究人员将一种共溶剂成分添加至电解液，由于这种共溶剂具有高还原电位，进而在正极和负极形成相似的富含氟化锂的界面层，并促进正极和负极上的相似的嵌锂/脱锂动力学。接着利用分子动力学模拟，筛选出能够最大程度减小整体和界面阻抗的软溶剂和共溶剂分子，从而实现快速充放电。最后，通过匹配正极和负极的热力学（容量）和动力学（阻抗），从而让NMC811||石墨电池可实现快充和宽温区充放电，而不产生锂沉积。
电解质的设计方法 资料来源：Nature
据介绍，使用此种电解质设计策略的NMC811||石墨电池，满足宽温区充放电能力（±60℃）、更高电压（≥4.5 伏）、快速充电（≤15 分钟）、不易燃烧等需求。面容量超过2.5mAh/cm2 的4.5V NMC811||石墨全电池在-50℃（-60℃）充放电时，仍能保留75％（54％）的室温容量。并且，软包电池即便在-30℃、300 次循环时，仍能实现超过83%的电池容量，其平均库伦效率在99.9%以上。
本研究成果的第一作者徐吉健表示：“想让锂离子电池在极端条件下实现最佳性能，不仅要拓宽电池的工作温区，还应兼顾充电效率、电压窗口和安全性。因此，这次的新研究可以说是电池领域的一次重大突破。”下一步，课题组将进一步设计电解液，以减少电荷转移的阻力，而不损害离子传导性。进一步提高电解液的离子电导，从而改善倍率性能，实现更好的快充性能。
参考原文：Electrolyte design for Li-ion batteries under extreme operating conditions.
