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可以在极热、极冷环境下工作的高能量密度电池

发布时间:2022/10/11 阅读:3521

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来自加利福尼亚大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的研究人员在加热到50°C的烤箱中测试软包电池的高性能。先进电解液促进锂硫电池的研发,可在极端温度下发挥良好性能。

一种用于锂硫电池的液体电解质为在高温和低温下工作铺平了道路。

虽然锂基电池成为许多电子设备以及电动汽车的业界标准,但它们在极端温度下不可以正常工作,这将给锂基电池在未来的发展带来困难。


幸亏有来自加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师,他们或许改变这种现象,工程师们研发的锂硫电池在光谱两端的极端温度下表现性能良好,比如,即使在高能量密度下运行,也可以极冷或极热的情况下正常工作。


研究人员表示,该发明为电动汽车充电一次可在严寒气候下行驶更远铺平了道路。他们表示,这样还可以通过减少甚至消除冷却系统的需要来节省制造商的资金,冷却系统可以防止电池在极端炎热的地方过热。


负责研究的加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授Zheng Chen在采访中表示,由于电动汽车电池组通常位于汽车底部,暴露在炎热的道路上,需要“在环境温度能达到三位数的区域进行高温操作。”


同时也是加州大学圣地亚哥分校可持续电力和能源中心教员的Chen教授说:“电池在运行过程中只要有电流通过就会发热。如果电池不能忍受这种高温预热,它们的性能将迅速下降。”


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影响因素

研究人员说,这种新颖设计的关键是由Chen的团队开发的一种新型电解质,它可以在很宽的温度范围内发挥最佳作用。它还具有与高能阳极和阴极的兼容性,以促进一个完整的原型设备的发展。


该电解液由二丁基醚的液体溶液与锂盐混合而成。研究人员说,正是这种材料的液体部分赋予了它在极端温度下工作的能力。


二丁基醚的特殊特性是其分子与锂离子结合较弱;这意味着电解液分子可以在电池运行时轻易释放锂离子。研究人员在之前的研究中发现了这种弱分子相互作用,他们发现在零度以下的温度环境下可以改善电池性能。


研究人员说,这种液体在高温下也能很好地工作,因为其沸点在141摄氏度(C)/286华氏度(F),在高温状态下仍保持液态。

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锂硫是未来吗?

虽然这种电解质在极端温度下工作的能力很好,但研究人员说,除非它能与锂硫电池兼容,否则它对这项特殊的研究没有用处。他们说,事实上,它似乎可以防止锂硫电池内部的一些关键反应,这些反应阻碍了锂硫电池在电动汽车和其他应用领域的长期生存能力。


锂硫电池由锂金属制成的阳极和硫基阴极组成。科学家们相信它们将成为未来最主要的电池设计,因为它们每千克能比目前的锂离子设计多储存两倍的能量——就电动汽车而言,这可以在不加重电池组重量的情况下使续航里程翻倍。


这些设备还可以降低制造成本,尤其是因为其核心使用地质丰富的材料来代替锂,锂的来源既复杂又不道德。


然而,锂硫电池并非毫无缺点;阴极与阳极存在固有的性能问题,这使得之前的设备无法持续数十个循环以上。


硫阴极在电池运行期间易分解,这种情况在高温环境更易恶化。此外,锂金属阳极易形成枝晶,刺穿电池,导致电池失效,有时甚至会造成灾难性的后果。


Chen承认,所有这些使得开发一种能够在高能量密度下工作的锂硫电池成为一项艰巨的任务,这是电动汽车的要求,当它必须在较宽的温度范围内工作时,这就变得更加复杂。


他在新闻发言中表示:“如果想要高能量密度的电池,通常需要使用非常苛刻且复杂的化学物质。高能意味着发生更多的反应,稳定性降低,降解加剧。”

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电解质的拯救

幸运的是,研究人员发现即使在高温与低温的环境下,由圣地亚哥团队研发的二丁基醚电解液可有效阻止这些问题。该团队还将硫阴极嫁接到一种聚合物上,使其更加稳定,他们表示,这样可以防止更多的硫溶解到电解液中。


研究人员发现,在实验室测试中,这种设备可以比典型的锂硫电池维持更长的循环寿命。


具体而言,概念验证电池可分别在-40度和50度(-104华氏度和122华氏度)维持87.5%与115.9%的能量容量。研究人员表示,在这些温度下,电池的库仑效率也很高,分别为98.2%和98.7%,这意味着电池在停止工作前可以经历更多的充电和放电循环。


Chen在新闻发言中表示:“我们的电解液有效改善了阴极与阳极,同时提供高导电性和界面稳定性。”


研究人员在《Proceedings of the National Academy of Sciences》(PNAS)杂志中发表相关论文。


该团队计划继续在电池化学方面进行研究。研究人员表示,他们希望对其进行优化,使其在温度范围两端的更高温度下工作,并进一步延长其循环寿命。


中国化学与物理电源行业协会 

杨柳翻译

2022.10.10