鉅大LARGE | 點擊量：559次 | 2023年02月07日
手機再也不怕凍關機了!鋰離子電池零下60攝氏度也能高效運行
最新出版的《科學》雜志刊登了電解液化學研究領域的一項重大突破：美國科學家首次使用液化氣取代電解液，分別讓鋰和超級電容器在零下60℃和零下80℃還能保持高效運行。新技術不僅提高了電動汽車在寒冷冬季單次充電的運行里程，還能為高空極冷環境下的無人機、衛星、星際探測器等供應電能。電池
科學界普遍認為，電解質是改進儲能裝置性能的最大瓶頸。液態電解質已經遭遇研究極限，許多科學家現在將目光聚焦在固態電解質。但加州大學圣地亞戈分?？沙掷m電力和能源中心及能源儲存和轉換實驗室主任孟穎教授帶領其團隊，反其道而行之，研究氣態電解質并取得突破。這些氣態電解質能在一定壓力下液態化，且更能抗凍。
在新研究中，他們從大量氣體候選物中選出兩種液化氣氟甲烷和二氟甲烷，分別制成鋰離子電池和超級電容的電解質，使得鋰離子電池的最低工作溫度從零下20℃延伸到零下60℃，超級電容的工作溫度從零下40℃延伸到零下80℃。而且，回到正常室溫后，這些電解質仍能保持高效工作狀態。
除了創造低溫工作紀錄，這些氣態電解質還克服了鋰離子電池中常見的熱失控問題，更具安全優勢。熱失控是電池中的熱量惡性循環，電池工作時溫度會升高，啟動一系列化學反應，這些反應出現的熱量反過來進一步讓電池變熱，使電池膨脹而毀壞。但氣態電解質在高于室溫的環境下，會啟動一種天然關閉機制，讓電池失去導電性停止工作，從而防止電池過熱。
最新研究還克服了鋰離子電池充放電壽命太短的另一大挑戰。因重量輕且能儲存更多電荷，鋰金屬被公認為最終電極材料，但鋰會與傳統電解液發生反應，在電極表面形成針尖狀突起，將電池分隔從而引起短路，造成充放電次數過少。而新電解質不會形成突起，大大延長了電池壽命。以圓柱形電池為例，如上圖所示，鋰離子電池的重要結構包括殼體，正極，負極，隔膜，電解液，安全閥等安全保護裝置以及一些導電密封輔助結構。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
殼體，是整只電芯的保護層，對電芯起到支撐、隔離和絕緣等保護性用途。軟包電池，沒有高強度的殼體，其在小規模成組以后，也要設計具備一定強度的殼。
直接參與電池電化學過程的是正極、負極和電解液，可以說它們是事故的源頭，也是真正解決安全問題的病根所在。
2正極、負極和電解液的安全性問題
鋰離子電池的安全事故，無論是電芯老化或者自身質量問題帶來的自內而外的過熱，進而導致熱失控，還是由于交通事故或者其他類型的濫用造成的熱失控，事故發生總要經歷電芯材料劇烈反應的過程，假如能夠阻斷這個點，則電池可以失效，但永遠不會燃爆。
2.1電解液
電解液存在兩個方向的問題，自身容易燃燒，又具有與正負極材料發生反應的傾向。
初中化學告訴我們，燃燒的三要素：可燃物（燃燒的物質），助燃物（氧氣）和燃點（達到可燃物的燃燒溫度）。三個條件缺一不可，阻斷其中之一，燃燒便不會發生。電池自身安全性，電池材料不可燃是安全隱患的終結者。
目前常見的電解液都是有機溶劑質地，是極易燃燒的材質。而電解液與正極發生副反應的產物，就包含氧氣。因此，電池一旦積聚了較多熱量，達到較高溫度，連鎖反應都會給電解液燃燒供應條件。
問題在于，電解液傳輸電荷的能力，對電池的電壓有直接的影響。當前人們關于高電壓，高能量密度的追求，只有有機電解液才能滿足，因而暫時沒有找到更適合的材質作為替代。
2.2正極材料
正極材料的安全性問題重要存在于兩個方面。一個是充電狀態下，材料結構的穩定性，另一個是電池高溫下，正極材料與電解液的反應腐蝕問題。
正極材料的穩定性問題，重要出現在過大電流充電過程中，與材料不匹配的鋰離子脫出速率會沖垮材料晶格結構，毀壞的部分材料反過來堵住離子通路，新增了離子嵌入難度。這個過程中會有熱量積累，是引發鋰離子電池事故的一種常見原因。
正極被電解液腐蝕，放出少量氣體和熱量，這是電池使用過程中老化的一個重要原因。但正極與電解液的劇烈反應，一般出現在電池溫度已高的階段，一般超過200℃，是熱量爆發式生成的重要力量。反應不但放出大量的熱，還會有氣體出現，使得事故的危害可能升級。
2.3負極材料
負極材料的安全性，重要圍繞其熱穩定性進行觀察，其穩定程度與下面三個因素有關：電解液中電解質的類型，石墨負極中嵌鋰碳含量的多少以及石墨負極使用的粘結劑的種類。
電解質類型，石墨負極在首次充電化成中，形成保護膜SEI膜。SEI膜的存在，阻止了石墨與電解液的進一步劇烈反應。但電解液中的LiPF6對SEI膜的分解有促進用途，使得鋰離子電池在大約60℃的儲存過程中，就可以出現分解并放熱。因此電解質的成分對負極穩定性有直接影響。
嵌鋰碳，有研究表明，負極中嵌鋰碳的含量高，會帶來負極與電解液更激烈的反應。嵌鋰碳是在充電過程中形成，電池電量越高，其嵌鋰碳的含量也就越高。嵌鋰碳的影響，只能在電量高的階段加強其他安全措施，卻無法防止高濃度嵌鋰碳的現象出現。
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