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一種新型鋰離子電池可以在-40°C的低溫下工作，一直工作到50°C的高溫。這種新型鋰硫電池的負(fù)極由硫制成，其能量也比當(dāng)今的化學(xué)電池要多。

這種電池可以增加電動(dòng)汽車在寒冷氣候下的行駛里程。它們也可以用于衛(wèi)星、航天器、高空無(wú)人機(jī)和潛艇。加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授Zheng Chen表示：“通過(guò)大幅擴(kuò)大鋰電池的操作窗口，我們可以為電動(dòng)汽車以外的應(yīng)用提供更強(qiáng)健、更有彈性的電池化學(xué)。”

今天的電池，其石墨陽(yáng)極和鋰金屬氧化物陰極，不能很好地處理極端溫度。高溫加劇了電池內(nèi)部已經(jīng)高度化學(xué)活性的環(huán)境，導(dǎo)致副反應(yīng)，分解電解液和其他電池材料，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的損壞。同時(shí)，低溫會(huì)使液體電解質(zhì)變稠，因此鋰離子在其中移動(dòng)緩慢，導(dǎo)致功率損失和充電緩慢。

絕緣電池或從內(nèi)部加熱電池的新方法有助于解決低溫問(wèn)題。研究人員此前也設(shè)計(jì)了電解液以擴(kuò)大電池溫度范圍，但這可以提高電池在低溫或高溫下的性能，而不是同時(shí)提高兩種溫度。

Chen和他的同事在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上報(bào)道的新型極端溫度電池的核心是一種新的電解質(zhì)配方。他們將鋰鹽溶解在二丁基醚（DBW）溶劑中。Chen說(shuō)，與目前電池中使用的碳酸乙烯酯溶劑不同，DBE在零下100°C的溫度下不會(huì)結(jié)冰，它也不容易蒸發(fā)。此外，DBE分子與鋰離子的結(jié)合較弱，因此鋰離子在其中移動(dòng)更自由，即使在冰點(diǎn)溫度下也是如此。

這種新型電解液在鋰硫電池中也能很好地工作。這些電池具有鋰金屬陽(yáng)極和硫陰極，其能量密度至少是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍。此外，他們?cè)陉帢O中使用低成本硫是一大優(yōu)勢(shì)。“他們的性價(jià)比非常高，” Chen說(shuō)。

但是鋰硫電池通常只能持續(xù)40到50個(gè)充電周期?；钚粤蜿帢O在電池運(yùn)行期間溶解，鋰金屬陽(yáng)極傾向于形成稱為樹(shù)突的尖刺狀生長(zhǎng)物，可穿透電池分離器，導(dǎo)致短路。這些問(wèn)題在高溫下會(huì)變得更嚴(yán)重。


UCSD團(tuán)隊(duì)通過(guò)將硫連接到塑料基板來(lái)解決硫陰極降解問(wèn)題。同時(shí)，這種新型電解液允許鋰離子均勻傳輸，因此它們沒(méi)有機(jī)會(huì)粘在一起形成樹(shù)枝狀晶。

該團(tuán)隊(duì)測(cè)試的原型袋式電池持續(xù)了200個(gè)循環(huán)，在-40°C下保留了其原始容量的87%以上。Chen說(shuō)，“在50°C時(shí)，電池的容量增加了15%，因?yàn)闇囟仍礁?，鋰離子通過(guò)電解液和電極的電荷轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散就越大，因此它進(jìn)一步推動(dòng)了電池容量和能量的極限。”

研究人員還表示，容量的增加不一定是一件好事，因?yàn)樗鼤?huì)使電池負(fù)擔(dān)過(guò)重。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員必須進(jìn)一步改善電池的化學(xué)性質(zhì)，使其能夠承受更多的充電周期。他們還計(jì)劃提高能量密度。目前，它只比今天的鋰離子電池略高，與鋰硫在理論上的承諾相去甚遠(yuǎn)。“我們可以將能量密度至少提高50%，”Chen說(shuō)，“這是希望，這也是承諾。”

原標(biāo)題：新型鋰電池問(wèn)世或有益于航天器和無(wú)人機(jī)