鋰電池破紀錄在 -70°C 低溫環境下工作,或可做為新一代太空技術

作者 | 發布日期 2018 年 03 月 02 日 16:33 | 分類 材料 , 材料、設備 , 零組件 follow us in feedly

目前,鋰電池電容量在零下 40°C 環境中只剩下 12%,但中國化學家現在開發出零下 70°C 環境還能維持 70% 容量的可充電鋰電池,隨著研究進展,未來或許能夠做為新一代太空技術。



鋰離子電池廣泛應用於電動車、消費性電子產品,但當它們處於零度以下環境時將逐漸失去傲人的導電儲能性能:零下 20°C 時,性能僅維持 50% 左右;零下 40°C 時,電容量僅剩下室溫電容量的 12%,這些都嚴重限制電池在溫度常掉到零下 50°C 的加拿大、俄羅斯等高緯度國家發揮正常水平。

電解質是負責在兩電極之間攜帶離子的化學介質,但當周遭環境變冷時,鋰離子電池經常使用的常規酸性電解質(酯類)會變成慢速導體,且電解質與電極界面處發生的電化學反應也使電池難以繼續工作,這是長期困擾研究人員的問題。

不過最近由上海復旦大學物理化學教授夏永姚(Yong-yao Xia)、物理化學教授王永剛(Yonggang Wang)領導的團隊在《Joule》雜誌發表研究,他們已開發出能承受極端低溫的可充電鋰電池,包括南極洲或外太空。

該團隊使用有低凝固點(零下 84°C)的乙酸乙酯為電解質,即便在極低溫度下也能充電;電極則使用 2 種有機化合物來取代傳統金屬電極:聚三苯胺(polytriphenylamine,PTPAn)陰極、由萘四甲酸二酐(1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride)衍生的聚醯亞胺(Polyimide,PI)陽極。

在實驗室中,新電池在零下 40°C 仍維持良好性能;零下 55°C 時,容量達到 90%;零下 70°C 時表現仍強勁,容量還可以維持 70%。

使用有機化合物為電極的優點在於它們不需要插層(intercalation)這道過程。鋰離子電池利用插層結構在電極儲存更多鋰來提高電容量,但隨著溫度下降,鋰嵌入插層的速度會慢到像蝸牛;而化合物電極吸收鋰的速度較不受低溫影響。

其他電池研究人員通常透過開發特殊添加劑或從外部加熱電池來補救低性能問題,但這些解決方法額外增加電池重量,且價格可能很昂貴。與傳統鋰離子電池的電極材料相比,有機材料豐富、價格低廉、對環境無害,該團隊使用的電極價格僅為典型鋰離子電池電極價格的三分之一。

只不過雖然性能佳,但電池比能量還是很低,尚無法勝任商業用途,但它仍在特殊領域提供發展前景,比如寒冷的外太空探測,不用擔心電池在任務中途斷電。

(首圖來源:NASA