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       許多電動汽車車主擔心車輛電池在寒冷氣候下的有效性。據外媒報道，一種新電池化學有望解決這一問題。

（圖片來源：阿貢實驗室）

 

       在目前的鋰離子電池中，主要的問題在于電解液。作為電池中的主要組分，電解液可在電池的兩個電極之間傳輸帶電粒子（即離子），從而實現電池充放電。然而，在寒冷的地區或季節，液體在零度以下開始結冰，嚴重影響電動汽車的充電效率。

 

       為了解決這一問題，美國能源部的阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）和勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）開發了一種含氟電解液，甚至在零度以下也表現良好。阿貢化學科學和工程部門的高級化學家Zhengcheng "John" Zhang表示：“研究團隊不僅發現了一種防凍電解液，其充電性能在零下4華氏度也不會下降，而且在原子層面上發現了是什么讓它如此有效。”

 

       這種低溫電解液有望用于電動汽車電池，以及電網儲能和消費電子產品，如計算機和電話。

 

       在當前使用的鋰離子電池中，電解液是一種廣泛使用的鹽（六氟磷酸鋰）和碳酸鹽溶劑（如碳酸亞乙酯）的混合物。該溶劑把鹽溶解成液體。當電池充電時，電解液將鋰離子從正極傳輸（含鋰氧化物）到負極（石墨）。這些離子從正極中移出，然后經過電解液進入負極。在通過電解液傳輸的過程中，離子位于由四或五個溶劑分子組成的團簇的中心。

 

       在起初的幾次充電過程中，這些分子簇撞擊負極表面并形成固體電解質界面。該保護層可以起到過濾器的作用，只允許鋰離子通過層體，同時阻止溶劑分子。在這種情況下，充電時負極能夠將鋰原子存儲在石墨結構中。在放電過程中，通過電化學反應釋放鋰中的電子，從而產生電力，為汽車提供動力。

 

       問題是，在低溫下含有碳酸鹽溶劑的電解液開始凍結，在充電時無法將鋰離子輸送到負極。這是因為鋰離子在溶劑團簇內緊密結合，需要比室溫下高得多的能量來疏散簇群并穿透界面層。因此，研究人員一直在尋找更好的溶劑。

 

       該團隊研究了若干種含氟溶劑，并確定在零下溫度的情況下能量壘最低的成分，從團簇中釋放鋰離子。研究人員還從原子層面確定，為什么這些特殊的成分如此有效。這取決于每個溶劑分子中氟原子的位置及數量。

 

       在實驗室中測試電芯時，該團隊的氟化電解質可在零下4華氏度保持穩定的儲能能力，實現400次充放電循環。即使在零下溫度環境中，其容量仍與在室溫下使用傳統碳酸基電解液的電芯表現相當。Zhang表示：“這項研究展示了如何調整電解液溶劑的原子結構，以設計適合零下溫度的新電解液。”

 

       另外，這種防凍電解液不會著火，比目前使用的碳酸鹽電解液要安全得多。Zhang表示：“該團隊正在為這種更安全的低溫電解液申請專利。現在，研究人員正在尋找工業合作伙伴，以將其應用于鋰離子電池設計。”