加州大学圣地亚哥分校的工程师已经开发出锂离子电池,在严寒和酷热的温度下性能良好,同时可以储存大量能量。研究人员通过开发一种电解液实现了这一壮举,这种电解液不仅在很宽的温度范围内具有多功能性和稳定性,而且与高能阳极和阴极兼容。
7月4日发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一篇论文介绍了耐温电池。
这种电池可以让电动汽车在寒冷气候下一次充电就能行驶得更远;加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院纳米工程教授、该研究的资深作者郑说,他们还可以减少对冷却系统的需求,以防止车辆电池组在炎热气候下过热。
“你需要在环境温度达到三位数、道路变得更热的地方进行高温操作。在电动汽车中,电池组通常在地板下,靠近这些炎热的道路,”陈解释说,他也是加州大学圣地亚哥可持续能源中心的教职工。“此外,电池在运行过程中通电后会预热。如果电池无法承受高温下的预热,其性能将迅速下降。”
在测试中,概念验证电池在-40℃和50℃(-40和122℉)下分别保持87.5%和115.9%的能量容量。在这些温度下,它们的库仑效率分别为98.2%和98.7%,这意味着电池在停止工作之前可以经历更多的充电和放电循环。
由于电解液的缘故,陈和同事开发的电池既耐寒又耐热。它由二丁基醚与锂盐混合的液体溶液制成。二丁醚的一个特点是其分子与锂离子的结合较弱。换句话说,当电池运行时,电解质分子很容易释放锂离子。研究人员在之前的研究中发现,这种弱分子相互作用提高了电池在零下温度下的性能。此外,二丁醚很容易受热,因为它在高温下保持液态(沸点为141摄氏度或286华氏度)。
稳定锂硫化学
这种电解液的另一个特殊之处是它与锂硫电池兼容,锂硫电池是一种可充电电池,其阳极由锂金属制成,阴极由硫制成。锂硫电池是下一代电池技术的重要组成部分,因为它们具有更高的能量密度和更低的成本。它们每公斤能储存的能量是当今锂离子电池的两倍鈥攖他可以在不增加电池组重量的情况下将电动汽车的续航里程扩大一倍。此外,与传统锂离子电池阴极中使用的钴相比,硫含量更丰富,来源问题更少。
但是锂硫电池也有问题。阴极和阳极都是超活性的。硫阴极反应性很强,在电池运行过程中会溶解。高温下,这个问题会变得更严重。锂金属阳极容易形成针状结构,称为树突,可以刺穿电池的部分,导致短路。因此,锂硫电池只能持续数十个循环。
“如果你想要一个高能量密度的电池,你通常需要使用非常苛刻、复杂的化学反应,”陈说。“高能意味着发生更多反应,这意味着稳定性降低,降解加剧。制造稳定的高能电池本身就是一项艰巨的任务鈥攖在较宽的温度范围内尝试这样做更具挑战性。"
加州大学圣地亚哥分校团队开发的二丁醚电解质可以防止这些问题,即使在高温和低温下。他们测试的电池比典型的锂硫电池有更长的循环寿命。陈说:“我们的电解液有助于改善阴极侧和阳极侧,同时提供高导电性和界面稳定性。”。
该团队还通过将硫阴极接枝到聚合物上,使其更加稳定。这可以防止更多的硫溶解到电解液中。
接下来的步骤包括扩大电池化学成分,优化电池,使其在更高的温度下工作,并进一步延长循环寿命。
论文标题为“温度弹性锂硫电池的溶剂选择标准”合著者包括加州大学圣地亚哥分校的蔡国瑞、约翰·霍卢贝克、李明谦、高洪鹏、尹一杰、俞思岑、刘浩东、托德·A·帕斯卡和刘平。