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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

時間:2025/3/2閱讀:193
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加州大學(xué)圣地亞哥分校 (UCSD)的工程團(tuán)隊近日研發(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,同時仍能儲存大量能量。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)用途廣泛且堅固耐用,而且兼容高能陽極和陰極。

這項成果于 7 月 4 日發(fā)表在《美國國家院刊》(PNAS) 上,基于這項技術(shù)開發(fā)的車用電池即使在寒冷氣候下也能讓電動汽車行駛更遠(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、該研究的作者鄭晨(Zheng Chen,音譯)說,它們還可以減少對冷卻系統(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,那么對于汽車電池來說是一個重大挑戰(zhàn)。在電動汽車中,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"。

在測試中,概念驗證電池在 -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。二丁基醚的一個特點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,電解質(zhì)分子很容易釋放鋰離子。研究人員在之前的一項研究中發(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,因為它在高溫下保持液態(tài)(沸點為 141 °C 或 286 °F)。

這種電解質(zhì)的另一個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,因為它們承諾更高的能量密度和更低的成本。它們每公斤存儲的能量是當(dāng)今鋰離子電池的兩倍——這可以使電動汽車的續(xù)航里程增加一倍,而不會增加電池組的重量。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。陰極和陽極都具有反應(yīng)性。硫正極非常活潑,以至于它們在電池運(yùn)行期間會溶解。這個問題在高溫下會變得更糟。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艱巨的任務(wù)——試圖在很寬的溫度范圍內(nèi)做到這一點更具挑戰(zhàn)性"。

來源:中國貝塔

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