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寬溫域電池可延長使用壽命寬溫域電解液可保證電池安全性

2021-06-21 11:20:11 來源：中國科學報

無人機可在江、浙、滬地區飛行1個小時左右，但在高原地區卻只能飛行幾十秒；在東北地區冬季或華南地區夏季，電動汽車耗電更快，行駛里程變短……這些現象的出現正是由于鋰離子電池耐候性差所致。

于是，科學家開始將研發重點聚焦在新一代寬溫域鋰離子電池有機電解質體系上。近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員夏永高課題組在此方面取得重要進展。相關論文發表于《材料化學雜志A》和《能源存儲材料》上。

提出一種新概念

以往的鋰離子電池應用范圍有限，主要集中在計算機、通信、消費類電子產品等領域。因此，其常規溫度在零下20℃至45℃便可以滿足需求。但現在不一樣了，電動工具、電動汽車及光伏電站等領域都“看中”了鋰離子電池。如果鋰離子電池僅限在常規溫度工作，顯然無法滿足當下需求。

夏永高告訴《中國科學報》，鋰離子電池若在零下20℃條件下工作，其放電容量僅為常溫的70%左右；若在超過60℃條件下工作，電池壽命將急速衰減。

鋰離子電池之所以出現這樣的情況有很多影響因素，如隔膜、電解液、電極等。于是，夏永高課題組篩選了多種隔膜、電極進行實驗，并選擇適合寬溫的隔膜與電極，進一步嘗試寬溫域電解液。

在這一過程中，研究人員提出通過在循環過程中調控溶劑和鋰鹽之間的競爭分解概念，使鋰二次電池在寬操作溫度窗口下形成穩定界面膜，從而提升鋰金屬電池的循環穩定性。

建立一個通用電解質體系

為了驗證這一概念，需要建立一種簡單的通用電解質體系。

夏永高介紹，他們以己二腈（ADN）為共溶劑，不但拓寬了電解液工作溫度窗口和電化學窗口，并且可以通過加入ADN分子調控碳酸乙烯酯（EC）溶劑分子和鋰鹽的分解。接著他們運用原位拉曼光譜、第一性原理計算和分子動力學模擬等手段，證明電解液中的溶劑化結構會隨著溫度變化而發生巨大改變。

夏永高進一步解釋道，當溫度升高時，ADN分子參與溶劑化的數量基本保持不變，EC溶劑分子參與溶劑化的數量降低，電解液中TFSI-和ODFB-鋰鹽陰離子參與溶劑化的數量提高，即更多的鋰鹽陰離子能參與反應，促進在電極表面生成致密無機界面膜，從而抑制溶劑分子的持續消耗，提升LiFePO4/Li、LTO/Li電池的寬溫電性能。

值得一提的是，LFP/Li電池在零下20℃至120℃范圍內100次循環后容量基本無衰減，LTO/Li全電池可在零下40℃至150℃進行工作，且120℃可以穩定循環超過1000次。

在此基礎上，研究人員通過溶劑—添加劑—鋰鹽的“雞尾酒式調控”，實現寬溫、高電壓、長循環電解質體系的研制。

他們的方法是構建一個含有更多無機成分的大尺寸溶劑化結構。該獨特的溶劑化結構可以促進富含無機組分的固體電解質界面膜的形成，從而抑制電解液的持續消耗和鋰枝晶的生長，提高Li/Cu、Li/Li、Li/NCM523、Li/LiFePO4電池的寬溫性能。

“Li/LiFePO4電池在30℃下穩定循環1000次以上，容量保持率為95.20%；當溫度升高到80℃時，電池在200次循環中沒有容量損失。”夏永高說。

他表示，寬溫域電池具有寬的工作溫度范圍和高的安全性，不懼怕嚴寒酷暑等嚴苛環境，可以進一步將電動汽車推廣至寒冷的北方地區，同時大幅度提升其在南方地區炎熱夏天的使用壽命。更為重要的是，寬溫域電解液具有阻燃性，進一步保證了動力電池的安全性。

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