弱点是这种低温电池的强度张钰

弱点是这种低温电池的强度

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的纳米工程师发现了开发在超低温下表现良好的锂金属电池的新基础知识。主要是电解质保持锂离子的能力越弱越好。

通过使用这种弱结合电解质，研究人员开发了一种锂金属电池，该电池可以在低至-60摄氏度的温度下重复充电，这在该领域尚属首次

研究人员在2月25日发表在《自然能源》上的一篇论文中报告了他们的工作。

在测试中，概念验证电池在-40摄氏度和-60摄氏度的50个循环中分别保持了其容量的84％和76％。研究人员说，这种性能是前所未有的。

已开发用于亚冰点温度的其他锂电池能够在低温下放电，但充电时需要保暖。这意味着必须带上一个额外的加热器，才能将这些电池用于外太空和深海勘探等应用中。另一方面，新电池可以在超低温下充电和放电。

这项工作是加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授刘平，郑铮和托德·帕斯卡实验室之间的合作，提出了一种改善超低温下锂金属电池性能的新方法。到目前为止，许多努力都集中在选择不易结冰且可以使锂离子在电极之间快速移动的电解质上。

在这项研究中，加州大学圣地亚哥分校的研究人员发现，电解质移动离子的速度并不一定快，而是让离子释放并沉积到阳极上的难易程度。

纳米工程博士学位的第一作者约翰·霍卢贝克说：“我们发现锂离子和电解质之间的结合，以及离子在电解质中所吸收的结构，意味着这些电池在低温下的生死攸关。” 加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的学生。

研究人员通过将电池性能与两种类型的电解质进行比较来做出这些发现：一种与锂离子的结合力弱，另一种与锂离子的结合力强。具有弱结合电解质的锂金属电池在-60摄氏度时总体表现更好；经过50个周期后，它仍然运行强劲。相反，具有强结合电解质的电池仅在两个循环后就停止工作。

将电池循环后，研究人员将它们拆开以比较阳极上的锂金属沉积物。差异也很明显。在电解质弱结合的细胞中沉积物是光滑且均匀的，但是在电解质强结合的细胞中沉积物是块状和针状的。

细节很重要

研究人员说，电池性能的差异都归结为纳米级的相互作用。Chen说：“锂离子如何在原子水平上与电解质相互作用，不仅可以在非常低的温度下实现可持续的循环，还可以防止枝晶的形成。”

为了理解原因，团队使用计算模拟和光谱分析详细研究了这些相互作用。在一种称为二乙醚的电解质中，研究人员观察到由锂离子组成的分子结构与周围的电解质分子弱结合。在另一种称为DOL / DME的电解质中，研究人员观察到了一些结构，这些结构的特征是离子与电解质分子之间具有很强的结合力。

研究人员说，这些结构和结合强度很重要，因为它们最终决定了低温下锂如何沉积在阳极表面上。Holoubek解释说，在像DEE电解质中观察到的那样的弱结合结构中，锂离子很容易脱离电解质的束缚，因此不需要花费太多能量就可以使它们沉积在阳极表面上的任何位置。

这就是为什么沉积物在DEE中光滑且均匀的原因。但是在牢固结合的结构中，需要更多的能量才能将锂离子从电解质中拉出。因此，锂将更喜欢沉积在阳极表面具有极强电场的地方-尖锐的任何地方。

锂将继续堆积在该尖端上，直到电池短路为止。这就是为什么沉积物在DOL / DME中呈块状和树枝状的原因。

负责计算研究的帕斯卡尔说：“弄清楚锂形成的不同类型的分子和原子结构，锂如何与某些原子协调-这些细节很重要。” “通过从根本上理解这些系统是如何结合在一起的，我们可以为下一代储能系统提出各种新的设计原理。这项工作展示了纳米工程的力量，其中弄清楚了小规模的情况将使设计成为可能。大规模的设备。”

兼容阴极

这些基本见解使该团队能够设计与电解质和阳极兼容的阴极，以实现低温性能。它是一种基于硫的阴极，使用低成本，丰富且对环境无害的材料制成-无需使用昂贵的过渡金属。

Liu说：“这项工作的意义实际上是双重的。”他的实验室设计了阴极，并一直在正常条件下优化DEE中这种阴极的循环性能。“从科学上讲，它提供了与传统观点相反的见解。从技术上讲，它是首款可在-60°C的温度下完全工作的同时能提供有意义的能量密度的可充电锂金属电池。这两个方面为超低温电池提供了完整的解决方案。”

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