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发布时间:2023/7/4 15:32:00

导读:许多电动汽车的车主担心他们的电池在非常寒冷的天气里不耐用。现在一种新的电池化学方法可能已经解决了这个问题。科学家为锂离子电池开发了一种新型更安全的电解质,它在0华氏度(-17.8摄氏度)以下的条件下和在室温下一样有效。

 

在目前的锂离子电池中,主要问题在于液体电解质。这个关键的电池组件在电池的两个电极之间转移称为离子的电荷携带颗粒,导致电池充电和放电。但是液体在零下的温度下开始冻结。这种情况严重限制了在寒冷地区和季节为电动汽车充电的有效性。

 

为了解决这个问题,来自美国能源部(DOE)阿贡和劳伦斯伯克利国家实验室的一组科学家开发了一种含氟电解质,即使在零度以下的温度下也能很好地发挥作用。科学家们在Advanced Energy Materials的一篇论文中报告了他们的工作。

 

a) 溶剂设计从碳酸盐到氟化酯的过渡方案。b) EA、EA-f、f-EA 和 f-EA-f 中羰基的原子电荷分析。

(图片来源:www.onlinelibrary.wiley.com)

“我们的团队不仅发现了一种防冻电解质,其充电性能在-4℉(-20)时不会下降,而且我们还在原子水平上发现了使其如此有效的原因,“高级化学家和阿贡化学科学与工程部门的组长华裔科学家张正成(Zhengcheng Zhang音译)说。

 

这种低温电解质有望用于电动汽车中的电池,以及消费电子产品(如计算机和手机)的储能。

在当今的锂离子电池中,电解质是广泛使用的盐(六氟磷酸锂)和碳酸酯溶剂(如碳酸乙烯酯)的混合物。溶剂溶解盐形成液体。

 

当电池充电时,液体电解质将锂离子从阴极(含锂氧化物)穿梭到阳极(石墨)。这些离子从阴极迁移出来,然后通过电解质进入阳极。当通过电解质运输时,它们位于四个或五个溶剂分子簇的中心。

 

在最初的几次充电中,这些团簇撞击阳极表面并形成称为固体电解质界面的保护层。一旦形成,该层就像一个过滤器。它只允许锂离子通过层,同时阻断溶剂分子。通过这种方式,阳极能够将锂原子存储在带电的石墨结构中。放电后电化学反应从锂中释放出电子,产生可以为车辆提供动力的电力。

 

问题是在低温下,含有碳酸盐溶剂的电解质开始冻结,导致它失去了在带电时将锂离子输送到阳极的能力。这是因为锂离子在溶剂簇中紧密结合,因此与室温相比这些离子需要更高的能量来排出其团簇并穿透界面层。出于这个原因科学家们一直在寻找更好的溶剂。

 

该团队研究了几种含氟溶剂,他们能够确定在零下温度下从团簇中释放锂离子具有最低能量势垒的成分。他们还在原子尺度上确定了为什么这种特殊的成分如此有效。这取决于氟原子在每个溶剂分子中的位置及其数量。

在实验室电池的测试中,该团队的氟化电解质在零下4华氏度(-20摄氏度)下保持了400次充放电循环的稳定储能容量。即使在如果低的温度下,其容量也相当于室温下使用传统碳酸盐基电解质的电池的容量。

 

“因此,我们的研究展示了如何定制电解质溶剂的原子结构以设计用于零下温度的新电解质”张正成说。

抗低温电解质具有额外的特性。它比目前使用的碳酸盐基电解质安全得多,因为它不会着火。

“我们正在为我们的低温和更安全的电解质申请专利,现在正在寻找一个工业合作伙伴以使其适应他们的锂离子电池设计之一”张正成说。

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