新型锂电池问世或有益于航天器和无人机

DAVID BAILLOT/UC SAN DIEGO JACOBS SCHOOL OF ENGINEERING

一种新型锂离子电池可以在-40°C的低温下工作，一直工作到50°C的高温。这种新型锂硫电池的负极由硫制成，其能量也比当今的化学电池要多。

这种电池可以增加电动汽车在寒冷气候下的行驶里程。它们也可以用于卫星、航天器、高空无人机和潜艇。加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Zheng Chen表示：“通过大幅扩大锂电池的操作窗口，我们可以为电动汽车以外的应用提供更强健、更有弹性的电池化学。”

今天的电池，其石墨阳极和锂金属氧化物阴极，不能很好地处理极端温度。高温加剧了电池内部已经高度化学活性的环境，导致副反应，分解电解液和其他电池材料，导致不可逆转的损坏。同时，低温会使液体电解质变稠，因此锂离子在其中移动缓慢，导致功率损失和充电缓慢。

绝缘电池或从内部加热电池的新方法有助于解决低温问题。研究人员此前也设计了电解液以扩大电池温度范围，但这可以提高电池在低温或高温下的性能，而不是同时提高两种温度。

Chen和他的同事在《美国国家科学院院刊》上报道的新型极端温度电池的核心是一种新的电解质配方。他们将锂盐溶解在二丁基醚（DBW）溶剂中。Chen说，与目前电池中使用的碳酸乙烯酯溶剂不同，DBE在零下100°C的温度下不会结冰，它也不容易蒸发。此外，DBE分子与锂离子的结合较弱，因此锂离子在其中移动更自由，即使在冰点温度下也是如此。

这种新型电解液在锂硫电池中也能很好地工作。这些电池具有锂金属阳极和硫阴极，其能量密度至少是传统锂离子电池的两倍。此外，他们在阴极中使用低成本硫是一大优势。“他们的性价比非常高，” Chen说。

但是锂硫电池通常只能持续40到50个充电周期。活性硫阴极在电池运行期间溶解，锂金属阳极倾向于形成称为树突的尖刺状生长物，可穿透电池分离器，导致短路。这些问题在高温下会变得更严重。

DAVID BAILLOT/UC SAN DIEGO JACOBS SCHOOL OF ENGINEERING

UCSD团队通过将硫连接到塑料基板来解决硫阴极降解问题。同时，这种新型电解液允许锂离子均匀传输，因此它们没有机会粘在一起形成树枝状晶。

该团队测试的原型袋式电池持续了200个循环，在-40°C下保留了其原始容量的87%以上。Chen说，“在50°C时，电池的容量增加了15%，因为温度越高，锂离子通过电解液和电极的电荷转移和扩散就越大，因此它进一步推动了电池容量和能量的极限。”

研究人员还表示，容量的增加不一定是一件好事，因为它会使电池负担过重。为了解决这个问题，研究人员必须进一步改善电池的化学性质，使其能够承受更多的充电周期。他们还计划提高能量密度。目前，它只比今天的锂离子电池略高，与锂硫在理论上的承诺相去甚远。“我们可以将能量密度至少提高50%，”Chen说，“这是希望，这也是承诺。”