手機(jī)再也不怕凍關(guān)機(jī)了!鋰離子電池零下60攝氏度也能高效運(yùn)行

最新出版的《科學(xué)》雜志刊登了電解液化學(xué)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破：美國(guó)科學(xué)家首次使用液化氣取代電解液，分別讓鋰和超級(jí)電容器在零下60℃和零下80℃還能保持高效運(yùn)行。新技術(shù)不僅提高了電動(dòng)汽車(chē)在寒冷冬季單次充電的運(yùn)行里程，還能為高空極冷環(huán)境下的無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星、星際探測(cè)器等供應(yīng)電能。電池

科學(xué)界普遍認(rèn)為，電解質(zhì)是改進(jìn)儲(chǔ)能裝置性能的最大瓶頸。液態(tài)電解質(zhì)已經(jīng)遭遇研究極限，許多科學(xué)家現(xiàn)在將目光聚焦在固態(tài)電解質(zhì)。但加州大學(xué)圣地亞戈分校可持續(xù)電力和能源中心及能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室主任孟穎教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)，反其道而行之，研究氣態(tài)電解質(zhì)并取得突破。這些氣態(tài)電解質(zhì)能在一定壓力下液態(tài)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(jí)電容的電解質(zhì)，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(jí)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(zhì)仍能保持高效工作狀態(tài)。

除了創(chuàng)造低溫工作紀(jì)錄，這些氣態(tài)電解質(zhì)還克服了鋰離子電池中常見(jiàn)的熱失控問(wèn)題，更具安全優(yōu)勢(shì)。熱失控是電池中的熱量惡性循環(huán)，電池工作時(shí)溫度會(huì)升高，啟動(dòng)一系列化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)出現(xiàn)的熱量反過(guò)來(lái)進(jìn)一步讓電池變熱，使電池膨脹而毀壞。但氣態(tài)電解質(zhì)在高于室溫的環(huán)境下，會(huì)啟動(dòng)一種天然關(guān)閉機(jī)制，讓電池失去導(dǎo)電性停止工作，從而防止電池過(guò)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(zhàn)。因重量輕且能儲(chǔ)存更多電荷，鋰金屬被公認(rèn)為最終電極材料，但鋰會(huì)與傳統(tǒng)電解液發(fā)生反應(yīng)，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(shù)過(guò)少。而新電解質(zhì)不會(huì)形成突起，大大延長(zhǎng)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(jié)構(gòu)包括殼體，正極，負(fù)極，隔膜，電解液，安全閥等安全保護(hù)裝置以及一些導(dǎo)電密封輔助結(jié)構(gòu)。

殼體，是整只電芯的保護(hù)層，對(duì)電芯起到支撐、隔離和絕緣等保護(hù)性用途。軟包電池，沒(méi)有高強(qiáng)度的殼體，其在小規(guī)模成組以后，也要設(shè)計(jì)具備一定強(qiáng)度的殼。

直接參與電池電化學(xué)過(guò)程的是正極、負(fù)極和電解液，可以說(shuō)它們是事故的源頭，也是真正解決安全問(wèn)題的病根所在。

2正極、負(fù)極和電解液的安全性問(wèn)題

鋰離子電池的安全事故，無(wú)論是電芯老化或者自身質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的自內(nèi)而外的過(guò)熱，進(jìn)而導(dǎo)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(fā)生總要經(jīng)歷電芯材料劇烈反應(yīng)的過(guò)程，假如能夠阻斷這個(gè)點(diǎn)，則電池可以失效，但永遠(yuǎn)不會(huì)燃爆。

2.1電解液

電解液存在兩個(gè)方向的問(wèn)題，自身容易燃燒，又具有與正負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)的傾向。

初中化學(xué)告訴我們，燃燒的三要素：可燃物（燃燒的物質(zhì)），助燃物（氧氣）和燃點(diǎn)（達(dá)到可燃物的燃燒溫度）。三個(gè)條件缺一不可，阻斷其中之一，燃燒便不會(huì)發(fā)生。電池自身安全性，電池材料不可燃是安全隱患的終結(jié)者。

目前常見(jiàn)的電解液都是有機(jī)溶劑質(zhì)地，是極易燃燒的材質(zhì)。而電解液與正極發(fā)生副反應(yīng)的產(chǎn)物，就包含氧氣。因此，電池一旦積聚了較多熱量，達(dá)到較高溫度，連鎖反應(yīng)都會(huì)給電解液燃燒供應(yīng)條件。

問(wèn)題在于，電解液傳輸電荷的能力，對(duì)電池的電壓有直接的影響。當(dāng)前人們關(guān)于高電壓，高能量密度的追求，只有有機(jī)電解液才能滿足，因而暫時(shí)沒(méi)有找到更適合的材質(zhì)作為替代。

2.2正極材料

正極材料的安全性問(wèn)題重要存在于兩個(gè)方面。一個(gè)是充電狀態(tài)下，材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，另一個(gè)是電池高溫下，正極材料與電解液的反應(yīng)腐蝕問(wèn)題。

正極材料的穩(wěn)定性問(wèn)題，重要出現(xiàn)在過(guò)大電流充電過(guò)程中，與材料不匹配的鋰離子脫出速率會(huì)沖垮材料晶格結(jié)構(gòu)，毀壞的部分材料反過(guò)來(lái)堵住離子通路，新增了離子嵌入難度。這個(gè)過(guò)程中會(huì)有熱量積累，是引發(fā)鋰離子電池事故的一種常見(jiàn)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(guò)程中老化的一個(gè)重要原因。但正極與電解液的劇烈反應(yīng)，一般出現(xiàn)在電池溫度已高的階段，一般超過(guò)200℃，是熱量爆發(fā)式生成的重要力量。反應(yīng)不但放出大量的熱，還會(huì)有氣體出現(xiàn)，使得事故的危害可能升級(jí)。

2.3負(fù)極材料

負(fù)極材料的安全性，重要圍繞其熱穩(wěn)定性進(jìn)行觀察，其穩(wěn)定程度與下面三個(gè)因素有關(guān)：電解液中電解質(zhì)的類型，石墨負(fù)極中嵌鋰碳含量的多少以及石墨負(fù)極使用的粘結(jié)劑的種類。

電解質(zhì)類型，石墨負(fù)極在首次充電化成中，形成保護(hù)膜SEI膜。SEI膜的存在，阻止了石墨與電解液的進(jìn)一步劇烈反應(yīng)。但電解液中的LiPF6對(duì)SEI膜的分解有促進(jìn)用途，使得鋰離子電池在大約60℃的儲(chǔ)存過(guò)程中，就可以出現(xiàn)分解并放熱。因此電解質(zhì)的成分對(duì)負(fù)極穩(wěn)定性有直接影響。

嵌鋰碳，有研究表明，負(fù)極中嵌鋰碳的含量高，會(huì)帶來(lái)負(fù)極與電解液更激烈的反應(yīng)。嵌鋰碳是在充電過(guò)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(qiáng)其他安全措施，卻無(wú)法防止高濃度嵌鋰碳的現(xiàn)象出現(xiàn)。