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极低气温下锂电池趴窝?科学家提出新解决方案

03-02 来源:财联社

财联社(上海,编辑 黄君芝)讯,为了探索更具应用前景的锂电池,科学家们都将目光投向了基于纯锂的金属阳极方案,而不是当前普遍采用的混合材料。与此同时,为了攻克其在低温下性能不佳的缺点,研究这一领域的科学家们也一直在“绞尽脑汁”,并已取得了一些突破。

据报道,加州大学圣迭戈分校(UCSD)的研究团队就在试图开发一种可以在极低温度下充电和放电的电池,这通常需要额外的加热系统,不过此次他们将重点放在了电解质上,依靠电解质中的弱结合性,令锂金属电池在寒冷条件下释放出空前性能。

极低气温下锂电池趴窝?科学家提出新解决方案

据了解,与当前使用的石墨/铜的混合阳极相比,纯锂金属阳极具有出色的能量密度,因此它被认为是一项很有前途的技术。在如此之大的差异面前,一些电池研究人员甚至将锂金属描述为“梦想材料”,并将其视为打破能量密度瓶颈的关键。

作为在循环过程中于电池两极间来回携带锂离子的溶液,电解质在一块电池中的重要性是不言而喻的。UCSD研究团队此次的目标是开发一种不会结冰的电解质,让锂离子在寒冷的环境中也能进行移动。

具体而言,研究人员用了两种类型的电解质进行实验,其中一种可与离子牢固结合、另一种则要弱得多,进而验证哪种情况更适用于低温工况。

极低气温下锂电池趴窝?科学家提出新解决方案

结果发现,在-60℃(-76℉)环境下,采用牢固结合电解质的这组实验电池仅能坚持两个循环,而后就停止了工作。而与之相对的是,使用弱结合电解质的电池在循环50次后仍能平稳运行,并保持76%的容量。若将工作温度改为-40°C(-40°F),这种方案甚至能保持84%的容量。

该研究第一作者John Holoubek表示,“我们发现锂离子与电解质之间的结合、以及离子在电解质中所占据的结构,与它们在低温下的表现有极大的关联。”

值得一提的是,针对此类概念验证电池的进一步研究还表明,弱结合电解质能够让离子更均匀地沉积在电池阳极上,而强结合电解质则会导致块状和针状的沉积(枝晶)。这是研究锂金属电池的科学家们关注的另一个重点,因为它们会迅速导致电池短路和失效等严重故障。

研究人员表示,“通过在原子层面了解锂离子和电解质的相互作用,不仅可以提升锂电池的低温表现,还有助于防止枝晶的形成”

研究小组在这些发现的基础上,建立了一个具有硫基阴极和弱结合电解质的锂金属电池原型。据称,这种设备将有望在外太空探索和深海勘探等领域发挥重要的作用。

“这项工作的意义实际上是双重的,”研究人员说,从科学的角度来说,它提出了与传统观点相反的见解。从技术上讲,这是第一款可在超低温下充电的锂金属电池,它还可以在-60摄氏度完全运行的情况下提供可观的能量密度。这两方面都为超低温电池提供了一个完整的解决方案。

(责任编辑:李显杰)

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