張正成博士是儲能領域的頂尖科學家，擁有 20 多年的經(jīng)驗。他領導美國阿貢國家實驗室在下一代鋰離子電池及其他領域的有機能源材料創(chuàng)新研究。張博士于2000年在北京獲得中國科學院化學研究所高分子化學博士學位，并于2000年至2005年在威斯康星大學麥迪遜分校繼續(xù)從事博士后和助理科學家的研究。他曾在 QuallionLLC擔任高級電池工程師，然后于 2007 年調到阿貢國家實驗室。）

美國的科學家們近日開發(fā)出了一種新型且更安全的電解質，這種電解質使鋰離子電池在零度以下的環(huán)境中能夠與室溫環(huán)境下一樣順暢工作。這一突破可能解決了電動汽車（EV）在極冷天氣下可能面臨的電池性能下降問題。

當前的鋰離子電池存在一大難題，那就是液態(tài)電解質。作為電池的核心部分，液態(tài)電解質在電池的兩個電極之間傳輸帶電荷的粒子（離子），實現(xiàn)電池的充電和放電。然而，當溫度低于零度時，液態(tài)電解質會開始凍結，這嚴重限制了電動汽車在寒冷地區(qū)和季節(jié)的充電效率。

為了解決這個問題，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室的科研團隊開發(fā)出了一種能在低溫環(huán)境下良好運行的含氟電解質。阿貢國家實驗室團隊的領導者John Zhang表示：“我們的團隊不僅發(fā)現(xiàn)了一種防凍電解質，其充電性能在零下四華氏度（約-20℃）下依然保持不變，我們還在原子水平上揭示了其如此高效的原因。”

這種新型電解質有望應用于電動汽車電池，以及電網(wǎng)和消費電子產(chǎn)品的儲能領域。

在現(xiàn)有的鋰離子電池中，電解質是由六氟磷酸鋰和碳酸酯溶劑（例如碳酸乙酯）混合而成。這種溶劑可以溶解鹽形成液體，當電池充電時，液態(tài)電解質會將鋰離子從陰極運輸?shù)疥枠O。這些離子會從陰極移動出來，然后穿過電解質進入陽極。在穿越電解質的過程中，它們會位于由四到五個溶劑分子形成的簇的中心。

在電池的初始幾次充電過程中，這些分子簇會撞擊陽極表面，并形成一個叫做固態(tài)電解質界面的保護層。一旦形成，這層保護層就像一個過濾器，它只允許鋰離子穿越，而阻擋了溶劑分子。因此，陽極在充電過程中能夠將鋰原子儲存在石墨結構中。在放電過程中，電化學反應會從鋰中釋放電子，產(chǎn)生的電力為車輛提供動力。

然而，問題在于在低溫環(huán)境中，含碳酸酯溶劑的電解質會開始凍結，導致其無法將鋰離子在充電過程中傳輸?shù)疥枠O。這是因為鋰離子在溶劑簇內(nèi)部緊密結合，因此，這些離子需要比在室溫下更高的能量才能分散這些簇并穿透界面層。因此，科學家們一直在尋找更好的溶劑。

研究小組研究了多種含氟溶劑，他們發(fā)現(xiàn)了一種在零度以下環(huán)境中從分子簇中釋放鋰離子能量最低的成分。他們還在原子級別上確定了為什么這種特定的組合物效果如此之好：這取決于每個溶劑分子內(nèi)氟原子的位置和數(shù)量。

在實驗室測試中，該團隊發(fā)現(xiàn)，這種氟化電解質在零下四華氏度（約-20℃）環(huán)境下進行了400次充放電循環(huán)后，其儲能能力依然保持穩(wěn)定。即使在零度以下的環(huán)境中，其容量也與在室溫下使用傳統(tǒng)碳酸鹽電解質的電池的容量相當。

Zhang表示：“因此，我們的研究展示了如何通過調整電解質溶劑的原子結構，設計出適用于零度以下環(huán)境的新電解質?！?/p>

這種防凍電解質還有一個額外的特性：它不會起火。

Zhang說：“我們正在為我們的低溫且更安全的電解質申請專利，并正在尋找工業(yè)合作伙伴，以使其適應他們的鋰離子電池設計之一?！?/p>

以下是對美國媒體《techbriefs》對John Zhang的采訪。

問：是什么啟發(fā)了您的研究？

Zhang：我們認識到低溫是一個巨大的挑戰(zhàn)。在地球的一些地區(qū)，低溫情況非常嚴重，因此在這種情況下，電池會遭受到巨大的容量下降和功率下降。這就是我們要面對的挑戰(zhàn)。我們收到了一份針對該領域的研究征集提案，因此，這就是我們研發(fā)低溫電解質的原因。

問：您能簡單地解釋一下該技術的工作原理嗎？

Zhang：在零下四華氏度（約-20℃）的環(huán)境下，電池會發(fā)生什么？您首先想到的是液體電解質，它會被凍結。一旦凍結，液態(tài)離子將無法移動，或者移動得非常慢。鋰離子的傳輸阻力非常高，而傳輸鋰離子是支持電化學反應的基本步驟。

因此，在室溫下，電解質處于液態(tài)，鋰離子可以非?？焖俚剞D移。但一旦溫度降至零度以下，這個過程就會顯著減少。我們稱之為超電勢。例如，如果充電至4.2伏，那么可以得到滿電量。但在低溫下，充電50%就能達到4.2伏，實際的電量只有一半。這就是我們要解決的問題。我們發(fā)現(xiàn)酯基溶劑的熔點非常低，這意味著在極低的溫度下，它們?nèi)匀槐３忠簯B(tài)而不會凍結。

然而，我們不能直接使用市售的酯，因為它們對石墨烯具有非常高的反應性，因此它們無法形成非常好的固態(tài)電解質界面（SEI）。這是一層分解的電解質產(chǎn)物覆蓋在石墨烯表面，讓鋰穿過SEI，到達石墨烯一側，進行正常的充電和放電。為了解決這個問題，我們在酯溶劑中引入了氟。我們發(fā)現(xiàn)，一種特定的氟化酯溶劑最適合低溫應用。

這種溶劑具有極低的熔點，并且可以溶解鋰鹽，而鋰鹽具有非常高的電導率。因此，這可以實現(xiàn)低溫性能。

這是一個重大發(fā)現(xiàn)，但后來我們意識到單純的液體酯還不夠好。因此，我們必須開發(fā)定制的添加劑來與液體酯結合。我們制定了所謂的聯(lián)合添加劑策略。只有兩種添加劑。它在低溫下表現(xiàn)非常好。我們沒有遇到容量下降、停電或低溫的問題。我們還發(fā)現(xiàn)這種電解液不會起火。所以，它是非常安全和合適的。

問：您說過該團隊正在為電解質申請專利，并且現(xiàn)在正在尋找工業(yè)合作伙伴以使其適應他們的鋰離子電池設計之一。進展如何？

Zhang：文件已經(jīng)由律師正式備案，并已向專利局提交。

問：除了專利和尋找合作伙伴之外，您的下一步計劃是什么？您還有進一步的研究或工作計劃嗎？

Zhang：我們還有一些工作要做，特別是在低溫方面，我們也在嘗試看看這個系統(tǒng)有沒有什么可以進一步改進的地方。因此，針對低溫應用的研究正在進行中，我們幾乎全力以赴地探索一些全新的想法。