研究人员制造出在-20°C以下温度下工作的电池

多年来，锂离子电池的能量密度不断增加，也使得电动汽车的续航里程更长。但随着冬季气温的升高，续航里程仍旧会面临直线下降的问题。电池性能的下降也成为了客户不想购买电动汽车的原因之一。

通过重新设计电池电解质，研究人员现在已经制造出一种在-20°C以下温度下工作的电池。与研究人员迄今为止研发的其他寒冷天气电池相比，这种电池的使用寿命超过一年，创下了历史新高。

如今的电池在0°C到40°C之间的温度下工作良好。为了更广泛地部署，开发人员正在努力制造在-40°C到60°C的更宽温度范围内工作的电池。北京理工大学的Chong Yan表示：“锂离子电池在低温下的高能量密度和长寿命是全气候电动汽车发展的关键。”

大容量电池在寒冷天气下拖累电动汽车续航里程

如今，为了让电池在寒冷中工作，制造商增加了外部绝缘和热量。但这也增加了体积，额外的重量增加也会降低行驶里程。此外，它不适合用于重量敏感应用型的寒冷天气电池，如高空无人机和卫星。

许多研究人员正试图通过关注在电池电极之间穿梭锂离子的电解质来提高电池在低温下的性能。寒冷的温度会使这些电解质变厚，因此离子移动速度较慢，导致容量损失和充电缓慢。一些团队最近使用低温溶剂制造电解质，或在电解质中测试化学添加剂，以帮助提高其耐寒性。另有研究人员已经配制出了全新的电解质，可以处理各种温度。

Yan和清华大学的Qiang Zhang及其同事专注于低温溶剂方法。虽然这种溶剂有助于提升寒冷天气下的性能，但众所周知，它们在高温下会产生气体，从而缩短电池寿命。“然而，气体的产生机制和相应的抑制策略仍然未知，”Yan说。

在他们发表在Matter杂志上的论文中，研究人员现在揭示了这种气体产生背后的机制，并提出了他们设计的一种新的高浓度电解质作为解决这个问题的方法。

他们发现，锂电镀——锂金属在电池石墨阳极表面的积聚——是产生气体的罪魁祸首。在冬季的温度下，由于锂离子移动缓慢，当它们从电解质进入石墨时，往往会变得拥挤，因此一些锂金属最终会堆积在表面。研究人员发现，常用的低温溶剂乙酸乙酯与这种镀锂发生剧烈反应，形成氢气和乙烷气体。气体积聚产生的压力最终会使电极破裂，使电池失效。

寒冷天气采用新型电解质

为了对抗这种气体的产生，研究人员将比平时更多的锂盐溶解在由90%乙酸乙酯和10%碳酸氟乙烯酯组成的溶剂中，制成了一种电解质。

然后，研究人员用这种电解质、石墨阳极和NMC811阴极制作了一个电池，NMC811由80%的镍、10%的钴和10%的锰制成。NMC811阴极用于当今的高性能锂离子电池，因为它们具有高能量密度，并且很少使用昂贵的钴。

Yan说：“我们使用的所有材料都是商用的，拟议的电解质可以合理地大规模生产。”这使得新方法很容易适用于当今常见的电池化学和制造工艺。

研究人员表明，使用乙酸乙酯作为主要溶剂可以使电池在低至-40°C的温度下工作。与此同时，锂盐与氟乙烯碳酸酯反应，在阳极上形成一层固体层，该固体层传导锂离子，但也保护任何不可避免地镀在表面的金属锂。保护层防止镀覆的锂与乙酸乙酯反应并形成气体。

在测试中，电池在-40°C时保持了超过四分之三的室温容量。它们可以充电1400多次，这是一个电池一年内的平均充电次数。

Yan说，尽管如此，仍有一些瓶颈需要克服。与传统电解质相比，该电解质的成本相对较高，并且电池在低于-50°C的温度下无法有效工作。因此，该团队现在计划“进一步优化锂盐的浓度和溶剂的类型，努力降低电解质的成本”，并提高低温性能。