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

核心提示：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。 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。”