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新型鋰電池研發(fā)成功：可在高溫、極寒環(huán)境下正常工作
2022-07-06 14:07:19cnBeta.COM閱讀量：18518 我要評(píng)論
加州大學(xué)圣地亞哥分校 (UCSD)的工程團(tuán)隊(duì)近日研發(fā)了一種新型鋰離子電池，不僅在嚴(yán)寒和酷熱的溫度下表現(xiàn)良好，同時(shí)仍能儲(chǔ)存大量能量。研究人員表示之所以具備如此好的特性，主要?dú)w功于全新開發(fā)的電解質(zhì)。這種電解質(zhì)不僅能在很寬的溫度范圍內(nèi)用途廣泛且堅(jiān)固耐用，而且兼容高能陽極和陰極。
這項(xiàng)成果于 7 月 4 日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS) 上，基于這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)的車用電池即使在寒冷氣候下也能讓電動(dòng)汽車行駛更遠(yuǎn)。加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院納米工程學(xué)教授、該研究的資深作者鄭晨(Zheng Chen，音譯)說，它們還可以減少對(duì)冷卻系統(tǒng)的需求，以防止車輛的電池組在炎熱氣候下過熱。
Chen 解釋說：“如果你需要在三位數(shù)(華氏)的高溫條件下開車，那么對(duì)于汽車電池來說是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。在電動(dòng)汽車中，電池組通常位于底盤，更靠近這些炎熱的道路。此外，電池在運(yùn)行過程中會(huì)因電流通過而升溫。如果電池不能承受這種高溫預(yù)熱，它們的性能將迅速下降”。
在測(cè)試中，概念驗(yàn)證電池在 -40°C 和 50°C(-40 和 122°F)下分別保留了 87.5% 和 115.9% 的能量容量。在這些溫度下，它們還分別具有 98.2% 和 98.7% 的高庫(kù)侖效率，這意味著電池在停止工作之前可以進(jìn)行更多的充電和放電循環(huán)。
由于其獨(dú)特的電解質(zhì)，Chen 和同事開發(fā)的電池既耐寒又耐熱。它由二丁醚與鋰鹽混合而成的液體溶液制成。二丁基醚的一個(gè)特點(diǎn)是其分子與鋰離子的結(jié)合較弱。換句話說，當(dāng)電池運(yùn)行時(shí)，電解質(zhì)分子很容易釋放鋰離子。研究人員在之前的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，這種微弱的分子相互作用可以提高電池在零下溫度下的性能。另外，二丁醚很容易吸收熱量，因?yàn)樗诟邷叵卤３忠簯B(tài)(沸點(diǎn)為 141 °C 或 286 °F)。
這種電解質(zhì)的另一個(gè)特別之處在于它與鋰硫電池兼容，鋰硫電池是一種可充電電池，其陽極由鋰金屬制成，陰極由硫制成。鋰硫電池是下一代電池技術(shù)的重要組成部分，因?yàn)樗鼈兂兄Z更高的能量密度和更低的成本。它們每公斤存儲(chǔ)的能量是當(dāng)今鋰離子電池的兩倍——這可以使電動(dòng)汽車的續(xù)航里程增加一倍，而不會(huì)增加電池組的重量。此外，與傳統(tǒng)鋰離子電池陰極中使用的鈷相比，硫的來源更豐富且問題更少。
但鋰硫電池也存在問題。陰極和陽極都具有超強(qiáng)反應(yīng)性。硫正極非常活潑，以至于它們?cè)?a href="http://m.gfwu.cn/gongying/t20885/" target="_blank">電池運(yùn)行期間會(huì)溶解。這個(gè)問題在高溫下會(huì)變得更糟。鋰金屬陽極容易形成稱為枝晶的針狀結(jié)構(gòu)，可以刺穿電池的某些部分，導(dǎo)致電池短路。結(jié)果，鋰硫電池只能持續(xù)數(shù)十次循環(huán)。
Chen 說：“如果你想要一個(gè)能量密度高的電池，你通常需要使用非常苛刻、復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)。高能量意味著更多的反應(yīng)正在發(fā)生，這意味著穩(wěn)定性更低，降解更多。制造穩(wěn)定的高能電池本身就是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)——試圖在很寬的溫度范圍內(nèi)做到這一點(diǎn)更具挑戰(zhàn)性”。
原標(biāo)題：科學(xué)家研發(fā)新型鋰電池：可在高溫、極寒環(huán)境下正常工作
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