導(dǎo)讀：許多電動(dòng)汽車的車主擔(dān)心他們的電池在非常寒冷的天氣里不耐用。現(xiàn)在一種新的電池化學(xué)方法可能已經(jīng)解決了這個(gè)問題?？茖W(xué)家為鋰離子電池開發(fā)了一種新型更安全的電解質(zhì)，它在0華氏度（-17.8攝氏度）以下的條件下和在室溫下一樣有效。
在目前的鋰離子電池中，主要問題在于液體電解質(zhì)。這個(gè)關(guān)鍵的電池組件在電池的兩個(gè)電極之間轉(zhuǎn)移稱為離子的電荷攜帶顆粒，導(dǎo)致電池充電和放電。但是液體在零下的溫度下開始凍結(jié)。這種情況嚴(yán)重限制了在寒冷地區(qū)和季節(jié)為電動(dòng)汽車充電的有效性。
為了解決這個(gè)問題，來自美國(guó)能源部（DOE）阿貢和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一組科學(xué)家開發(fā)了一種含氟電解質(zhì)，即使在零度以下的溫度下也能很好地發(fā)揮作用?？茖W(xué)家們?cè)?a >Advanced Energy Materials的一篇論文中報(bào)告了他們的工作。
a） 溶劑設(shè)計(jì)從碳酸鹽到氟化酯的過渡方案。b） EA、EA-f、f-EA 和 f-EA-f 中羰基的原子電荷分析。
（圖片來源：www.onlinelibrary.wiley.com）
“我們的團(tuán)隊(duì)不僅發(fā)現(xiàn)了一種防凍電解質(zhì)，其充電性能在-4℉（-20℃）時(shí)不會(huì)下降，而且我們還在原子水平上發(fā)現(xiàn)了使其如此有效的原因，“高級(jí)化學(xué)家和阿貢化學(xué)科學(xué)與工程部門的組長(zhǎng)華裔科學(xué)家張正成（Zhengcheng Zhang音譯）說。
這種低溫電解質(zhì)有望用于電動(dòng)汽車中的電池，以及消費(fèi)電子產(chǎn)品（如計(jì)算機(jī)和手機(jī)）的儲(chǔ)能。
在當(dāng)今的鋰離子電池中，電解質(zhì)是廣泛使用的鹽（六氟磷酸鋰）和碳酸酯溶劑（如碳酸乙烯酯）的混合物。溶劑溶解鹽形成液體。
當(dāng)電池充電時(shí)，液體電解質(zhì)將鋰離子從陰極（含鋰氧化物）穿梭到陽極（石墨）。這些離子從陰極遷移出來，然后通過電解質(zhì)進(jìn)入陽極。當(dāng)通過電解質(zhì)運(yùn)輸時(shí)，它們位于四個(gè)或五個(gè)溶劑分子簇的中心。
在最初的幾次充電中，這些團(tuán)簇撞擊陽極表面并形成稱為固體電解質(zhì)界面的保護(hù)層。一旦形成，該層就像一個(gè)過濾器。它只允許鋰離子通過層，同時(shí)阻斷溶劑分子。通過這種方式，陽極能夠?qū)囋哟鎯?chǔ)在帶電的石墨結(jié)構(gòu)中。放電后電化學(xué)反應(yīng)從鋰中釋放出電子，產(chǎn)生可以為車輛提供動(dòng)力的電力。
問題是在低溫下，含有碳酸鹽溶劑的電解質(zhì)開始凍結(jié)，導(dǎo)致它失去了在帶電時(shí)將鋰離子輸送到陽極的能力。這是因?yàn)殇囯x子在溶劑簇中緊密結(jié)合，因此與室溫相比這些離子需要更高的能量來排出其團(tuán)簇并穿透界面層。出于這個(gè)原因科學(xué)家們一直在尋找更好的溶劑。
該團(tuán)隊(duì)研究了幾種含氟溶劑，他們能夠確定在零下溫度下從團(tuán)簇中釋放鋰離子具有最低能量勢(shì)壘的成分。他們還在原子尺度上確定了為什么這種特殊的成分如此有效。這取決于氟原子在每個(gè)溶劑分子中的位置及其數(shù)量。
在實(shí)驗(yàn)室電池的測(cè)試中，該團(tuán)隊(duì)的氟化電解質(zhì)在零下4華氏度（-20攝氏度）下保持了400次充放電循環(huán)的穩(wěn)定儲(chǔ)能容量。即使在如果低的溫度下，其容量也相當(dāng)于室溫下使用傳統(tǒng)碳酸鹽基電解質(zhì)的電池的容量。
“因此，我們的研究展示了如何定制電解質(zhì)溶劑的原子結(jié)構(gòu)以設(shè)計(jì)用于零下溫度的新電解質(zhì)”張正成說。
抗低溫電解質(zhì)具有額外的特性。它比目前使用的碳酸鹽基電解質(zhì)安全得多，因?yàn)樗粫?huì)著火。
“我們正在為我們的低溫和更安全的電解質(zhì)申請(qǐng)專利，現(xiàn)在正在尋找一個(gè)工業(yè)合作伙伴以使其適應(yīng)他們的鋰離子電池設(shè)計(jì)之一”張正成說。
