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研究人员开发含氟电解液 使电动汽车电池在零度以下也可充电

 
       许多电动汽车车主担心车辆电池在寒冷气候下的有效性。据外媒报道,一种新电池化学有望解决这一问题。
(图片来源:阿贡实验室)
 
       在目前的锂离子电池中,主要的问题在于电解液。作为电池中的主要组分,电解液可在电池的两个电极之间传输带电粒子(即离子),从而实现电池充放电。然而,在寒冷的地区或季节,液体在零度以下开始结冰,严重影响电动汽车的充电效率。
 
       为了解决这一问题,美国能源部的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)和劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)开发了一种含氟电解液,甚至在零度以下也表现良好。阿贡化学科学和工程部门的高级化学家Zhengcheng "John" Zhang表示:“研究团队不仅发现了一种防冻电解液,其充电性能在零下4华氏度也不会下降,而且在原子层面上发现了是什么让它如此有效。”
 
       这种低温电解液有望用于电动汽车电池,以及电网储能和消费电子产品,如计算机和电话。
 
       在当前使用的锂离子电池中,电解液是一种广泛使用的盐(六氟磷酸锂)和碳酸盐溶剂(如碳酸亚乙酯)的混合物。该溶剂把盐溶解成液体。当电池充电时,电解液将锂离子从正极传输(含锂氧化物)到负极(石墨)。这些离子从正极中移出,然后经过电解液进入负极。在通过电解液传输的过程中,离子位于由四或五个溶剂分子组成的团簇的中心。
 
       在起初的几次充电过程中,这些分子簇撞击负极表面并形成固体电解质界面。该保护层可以起到过滤器的作用,只允许锂离子通过层体,同时阻止溶剂分子。在这种情况下,充电时负极能够将锂原子存储在石墨结构中。在放电过程中,通过电化学反应释放锂中的电子,从而产生电力,为汽车提供动力。
 
       问题是,在低温下含有碳酸盐溶剂的电解液开始冻结,在充电时无法将锂离子输送到负极。这是因为锂离子在溶剂团簇内紧密结合,需要比室温下高得多的能量来疏散簇群并穿透界面层。因此,研究人员一直在寻找更好的溶剂。
 
       该团队研究了若干种含氟溶剂,并确定在零下温度的情况下能量垒最低的成分,从团簇中释放锂离子。研究人员还从原子层面确定,为什么这些特殊的成分如此有效。这取决于每个溶剂分子中氟原子的位置及数量。
 
       在实验室中测试电芯时,该团队的氟化电解质可在零下4华氏度保持稳定的储能能力,实现400次充放电循环。即使在零下温度环境中,其容量仍与在室温下使用传统碳酸基电解液的电芯表现相当。Zhang表示:“这项研究展示了如何调整电解液溶剂的原子结构,以设计适合零下温度的新电解液。”
 
       另外,这种防冻电解液不会着火,比目前使用的碳酸盐电解液要安全得多。Zhang表示:“该团队正在为这种更安全的低温电解液申请专利。现在,研究人员正在寻找工业合作伙伴,以将其应用于锂离子电池设计。”