無人機(jī)可在江、浙、滬地區(qū)飛行1個(gè)小時(shí)左右，但在高原地區(qū)可能只飛行幾十秒就關(guān)機(jī)了；電動(dòng)汽車在東北地區(qū)的冬季或華南地區(qū)的夏季，耗電更快，行駛里程變短……這些現(xiàn)象的出現(xiàn)正是由鋰離子電池耐候性差而導(dǎo)致其變得“嬌貴”。如果不解決這一問題，將極大限制相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

　　于是，科學(xué)家們努力發(fā)展新一代寬溫域鋰離子電池有機(jī)電解質(zhì)體系。近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員夏永高課題組取得了重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A、Energy Storage Materials。

　　提出一種新概念

　　以往的鋰離子電池應(yīng)用范圍有限，主要集中在計(jì)算機(jī)、通訊、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。因此，其常規(guī)溫度在零下20℃至45℃便可以滿足需求。但現(xiàn)在不一樣了，電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車及光伏電站等領(lǐng)域“看中”了鋰離子電池。如果鋰離子電池僅限在常規(guī)溫度工作，顯然無法滿足當(dāng)下需求。

　　夏永高告訴《中國科學(xué)報(bào)》，鋰離子電池若在零下20℃條件下工作，其放電容量僅為常溫的70%左右；若在超過60℃條件下工作，電池壽命將急速衰減。

　　鋰離子電池之所以出現(xiàn)這樣的情況，影響因素有很多，如隔膜、電解液、電極等。于是，夏永高課題組篩選了多種隔膜、電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并選擇出適合寬溫的隔膜與電極，進(jìn)一步再嘗試寬溫域電解液。

　　在這一過程中，研究人員提出通過在循環(huán)過程中調(diào)控溶劑和鋰鹽之間的競(jìng)爭(zhēng)分解的概念，使鋰二次電池在寬操作溫度窗口下形成穩(wěn)定的界面膜，從而提升鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

　　建立一個(gè)通用電解質(zhì)體系

　　為了驗(yàn)證這一概念，需要建立一種簡單的通用電解質(zhì)體系。

　　夏永高介紹，他們以己二腈（ADN）為共溶劑，不但拓寬了電解液工作溫度窗口和電化學(xué)窗口，并且可以通過加入ADN分子調(diào)控碳酸乙烯酯（EC）溶劑分子和鋰鹽的分解。再運(yùn)用原位拉曼光譜、第一性原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段，證明電解液中的溶劑化結(jié)構(gòu)會(huì)隨著溫度變化而發(fā)生巨大的改變。

　　他進(jìn)一步解釋道，當(dāng)溫度升高時(shí)，ADN分子參與溶劑化的數(shù)量基本保持不變，EC溶劑分子參與溶劑化的數(shù)量降低，電解液中TFSI-和ODFB-鋰鹽陰離子參與溶劑化的數(shù)量提高，即更多的鋰鹽陰離子能參與反應(yīng)，促進(jìn)在電極表面生成致密無機(jī)界面膜，從而抑制溶劑分子的持續(xù)消耗，提升LiFePO₄/Li、LTO/Li電池的寬溫電性能。

　　值得一提的是，LFP/Li電池在零下20℃至120℃范圍內(nèi)100次循環(huán)后容量基本無衰減，LTO/Li全電池可在零下40℃至150℃進(jìn)行工作，且120℃可以穩(wěn)定循環(huán)超過1000次。

　　在此基礎(chǔ)上，研究人員通過溶劑—添加劑—鋰鹽的“雞尾酒式調(diào)控”，實(shí)現(xiàn)寬溫、高電壓、長循環(huán)電解質(zhì)體系的研制。

　　他們的方法是構(gòu)建一個(gè)含有更多無機(jī)成分的大尺寸溶劑化結(jié)構(gòu)。該獨(dú)特的溶劑化結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)富含無機(jī)組分為主的固體電解質(zhì)界面膜的形成，從而抑制電解液的持續(xù)消耗和鋰枝晶的生長，提高Li/Cu、Li/Li、Li/NCM523、Li/LiFePO₄電池的寬溫性能。

　　“Li/LiFePO₄電池在30℃下穩(wěn)定循環(huán)1000次以上，容量保持率為95.20%；當(dāng)溫度升高到80℃時(shí)，電池在200次循環(huán)中沒有容量損失。”夏永高說。

　　他表示，寬溫域電池具有寬的工作溫度范圍和高的安全性，不懼怕嚴(yán)寒酷暑等嚴(yán)苛環(huán)境，可以進(jìn)一步將電動(dòng)汽車推廣至寒冷的北方地區(qū)，同時(shí)大幅度提升其在南方地區(qū)炎熱夏天的使用壽命。更為重要的是，寬溫域電解液具有阻燃性，進(jìn)一步保證動(dòng)力電池的安全性。

　　除此之外，寬溫域電池也可應(yīng)用于其他如石油鉆井、航空航天等苛刻環(huán)境領(lǐng)域。

　　上述研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院重點(diǎn)研究計(jì)劃和寧波市科技創(chuàng)新2025重大項(xiàng)目等支持。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1039/D1TA00895A

　　https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.002

　　（原文發(fā)布于2021年6月21日《中國科學(xué)報(bào)》第3版）

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