新型鋰電池問世或有益于航天器和無人機

DAVID BAILLOT/UC SAN DIEGO JACOBS SCHOOL OF ENGINEERING

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極由硫制成，其能量也比當今的化學電池要多。

這種電池可以增加電動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、高空無人機和潛艇。加州大學圣地亞哥分校納米工程教授Zheng Chen表示：“通過大幅擴大鋰電池的操作窗口，我們可以為電動汽車以外的應用提供更強健、更有彈性的電池化學。”

今天的電池，其石墨陽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)高度化學活性的環(huán)境，導致副反應，分解電解液和其他電池材料，導致不可逆轉(zhuǎn)的損壞。同時，低溫會使液體電解質(zhì)變稠，因此鋰離子在其中移動緩慢，導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題。研究人員此前也設(shè)計了電解液以擴大電池溫度范圍，但這可以提高電池在低溫或高溫下的性能，而不是同時提高兩種溫度。

Chen和他的同事在《美國國家科學院院刊》上報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，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更自由，即使在冰點溫度下也是如此。

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，他們在陰極中使用低成本硫是一大優(yōu)勢。“他們的性價比非常高，” Chen說。

但是鋰硫電池通常只能持續(xù)40到50個充電周期。活性硫陰極在電池運行期間溶解，鋰金屬陽極傾向于形成稱為樹突的尖刺狀生長物，可穿透電池分離器，導致短路。這些問題在高溫下會變得更嚴重。

DAVID BAILLOT/UC SAN DIEGO JACOBS SCHOOL OF ENGINEERING

UCSD團隊通過將硫連接到塑料基板來解決硫陰極降解問題。同時，這種新型電解液允許鋰離子均勻傳輸，因此它們沒有機會粘在一起形成樹枝狀晶。

該團隊測試的原型袋式電池持續(xù)了200個循環(huán)，在-40°C下保留了其原始容量的87%以上。Chen說，“在50°C時，電池的容量增加了15%，因為溫度越高，鋰離子通過電解液和電極的電荷轉(zhuǎn)移和擴散就越大，因此它進一步推動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，因為它會使電池負擔過重。為了解決這個問題，研究人員必須進一步改善電池的化學性質(zhì)，使其能夠承受更多的充電周期。他們還計劃提高能量密度。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。“我們可以將能量密度至少提高50%，”Chen說，“這是希望，這也是承諾。”