將可應對-70℃超低溫 歷時4年研究浙大找到一種新型電解液

發(fā)布日期:2024-03-15  來源:潮新聞

核心提示:北方冬季趴窩的電動車,南方夏日發(fā)燙的手機這些在我們?nèi)粘I钪刑砺闊┑男鼍?,正是由于鋰電池嬌貴的耐候性所致。近日,浙江大
北方冬季“趴窩”的電動車,南方夏日“發(fā)燙”的手機……這些在我們?nèi)粘I钪?ldquo;添麻煩”的小場景,正是由于鋰電池“嬌貴”的耐候性所致。

近日,浙江大學聯(lián)合多家單位設計出一款新型電解液,不僅能夠支持鋰電池在-70℃到60℃的超寬溫區(qū)內(nèi)進行可逆充放電,還可以使得鋰電池在10分鐘內(nèi)完成快速充放電。

“快速充電、低溫運行和安全問題,是當前制約鋰電池發(fā)展的三大難題。”浙江大學材料科學與工程學院范修林研究員說,“面向世界科技前沿,我們勇于做‘探險家’,在科技的‘無人區(qū)’披荊斬棘。”

極端天氣


2019年,諾貝爾化學獎頒發(fā)給了三位研發(fā)鋰電池的科學家。他們“馴服”了鋰離子,為所有人創(chuàng)造了一個可重復充電“超長待機”的世界。

然而,廣受歡迎的鋰電池亦有缺陷——零下20℃至55℃,是它工作的常規(guī)溫度。近年來,電動工具、電動汽車及光伏電站等領域都“相中”了它,從赤道到兩極都有它的出現(xiàn),如果僅限在常規(guī)溫度,鋰電池顯然無法滿足當下迫切的需求。

一組數(shù)據(jù)可以說明:若在零下20℃條件下工作,鋰電池放電容量僅為常溫下的70%左右;若在超過60℃條件下工作,電池壽命將急速衰減。

要解決上述難題,首先要弄明白,鋰電池在極端氣溫下為什么會充放電變慢。

范修林介紹,鋰電池本質上是通過鋰離子在正負極之間的遷移,來實現(xiàn)能量的存儲和釋放。充電時,正極上的鋰原子會分解成鋰離子和電子,電子通過外電路到達負極,鋰離子通過隔膜到達負極。在負極鋰離子與電子相遇,這樣又重新變成鋰原子。正是這種獨特的特性,它被形象地稱為“搖椅電池”。

換句話說,鋰電池充放電的速率和鋰離子在電池中移動的速度有關。

于是,北方冬季“趴窩”的電動車,可以說是被“凍僵”了——環(huán)境溫度降低,電池內(nèi)阻增大,此時鋰離子的遷移將變得十分困難,充放電性能也因此變差。

同時,液態(tài)鋰離子電池首次充放電過程中,電極和電解液在接觸面上會形成一層鈍化層。雖然這樣的鈍化層可以防止電解液的持續(xù)分解損壞電極,但在低溫環(huán)境下,這層SEI膜會越來越厚,阻抗增加,也會降低鋰離子電導率。

在這種情形下使用大電流充電,負極表面會聚集大量鋰原子,引起鋰枝晶在負極表面析出。析鋰不但會造成電池容量損失,性能下降,嚴重時還會刺穿隔膜,引發(fā)安全事故。

氣候疊加鋰電池的“怕冷”特性,成為影響新能源汽車推廣的一大因素。家在遼寧沈陽的夏銘(化名)為了方便上班、出游最近考慮購車,“國產(chǎn)電動車我看過五六款,確實很心動,還試駕了其中三款。”但開過新能源車的朋友,卻給她兜頭澆了一盆涼水:“等到了冬天,看你咋整。”夏銘說,她身邊也有打算買新能源車的朋友,考慮到冬天續(xù)航被“勸退”了。

中國汽車流通協(xié)會新能源分會秘書長章弘表示,在新能源汽車的發(fā)展過程中,需要更加關注電池耐寒性問題。


浙大團隊研發(fā)的鋰離子軟包電池。浙江大學供圖

最佳配方

超寬溫區(qū),快速充電

記者在實驗室看到,鋰離子軟包電池外形像是一塊塊壓縮餅干,不同電解液的“配比”卻能展現(xiàn)出不同的功能效應。

范修林說,電解液是電池中唯一與其它組件直接進行物理接觸的元素,在實際運行中很大程度上決定著電池的工作溫區(qū)、充放電倍率、循環(huán)穩(wěn)定性及壽命。“在鋰電池中要實現(xiàn)快充的突破,電解液至關重要,而傳統(tǒng)電解液中的鋰離子傳輸模式無法實現(xiàn)鋰離子的快速遷移。” 他說。

所以,有沒有一種方式或者是材料,能夠同時滿足鋰離子能高速移動,同時擁有超寬溫區(qū)呢?

經(jīng)過長達4年的研究,浙大團隊最終確定了電解液的最佳配方。面對幾萬種的溶劑,浙大團隊首次建立了一套溶劑篩選原則,用于篩選寬溫域內(nèi)快速鋰離子動力學的潛在溶劑,進而將23種目標材料制作成電解液并應用于鋰電池,展開實證研究。

“我們發(fā)現(xiàn)在氟乙腈溶劑中,鋰離子與溶劑分子之間作用力弱,只需較少能量就能快速移動,在低溫情況下也能穩(wěn)定移動。”四年心血,一朝功成,回想起來,范修林依舊有些激動。同時,尺寸小的溶劑分子,可以與鋰離子相互作用,形成連續(xù)的鋰離子運輸配體通道,促進鋰離子的快速傳輸動力學。

相關測試數(shù)據(jù)表明,浙大團隊提出的新型電解液25℃室溫下的離子電導率是商用電解液的4倍;在-70℃時高于商用電解液3個數(shù)量級以上。“在同等條件下,我們設計的鋰離子電池,能夠實現(xiàn)充電10分鐘,達到八成充電量,展現(xiàn)出超快的離子傳輸行為。”范修林說,快充性能優(yōu)異,也意味著低溫充放電性能較為優(yōu)異,“在低溫下我們的電池也能展現(xiàn)出良好的性能”。

更大市場

應對商業(yè)化應用挑戰(zhàn)

一塊怕冷的鋰電池背后,折射的卻是新能源行業(yè)尚待打開的更大市場。

被放大的“里程焦慮”,讓不少人對新能源汽車望而卻步。近年來,不少動力電池上下游企業(yè)花了大量精力提升電池在低溫情況下的使用效率。

第四屆“杭州工匠”、汽車專家韓晨洪表示,為了保證電池包的溫度,目前給新能源汽車加裝正溫度系數(shù)熱敏電阻加熱器(PTC)和熱泵是業(yè)內(nèi)常用的方案。但采用熱泵和PTC兩種方式的能耗相差30%以上,PTC的耗電量大,對電動車冬季續(xù)航影響大。采用這樣的外部加溫方案,意味著本來容量就衰減的電池需要在制暖方面多耗電。此外,動力電池的半固態(tài)和固態(tài)電池等創(chuàng)新也在進行,都在致力于確保續(xù)航里程、安全性等要求下能夠大規(guī)模商業(yè)化應用。

多位從業(yè)者向記者表示,鋰電池的電解液實現(xiàn)突破性創(chuàng)新,如果能實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用,將產(chǎn)生極大的效益。但是,從實驗室的研究成果落地到商用,還有一段路要走。

范修林表示,對比目前的商用電解液,新型電解液具有更優(yōu)異的倍率性能和低溫性能。由于電解液在寬溫域內(nèi)的超快離子傳輸和穩(wěn)定的電化學界面,未來的前景還是很可觀的。但他也指出,“在大規(guī)模商業(yè)化應用上,新型溶劑成本較高是一個較大的挑戰(zhàn)”。

他表示,該研究成果可以率先在極地科考、空間探測、海底勘探等極端溫度情況中應用。同時,他也表示,電解液的突破對鈉離子電池和鉀離子電池也十分有效,未來可用于更多場景,“比如應用于車載設備、電力通信、公共安全、應急救援、醫(yī)療電子、鐵路、船舶、機器人等領域。”

對未來,范修林很有信心:“目前,我們團隊已經(jīng)與相關企業(yè)開展緊密合作。”

 
 
[ 頻道搜索 ]  [ 加入收藏 ]  [ 告訴好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 違規(guī)舉報 ]  [ 關閉窗口 ]

 


網(wǎng)站首頁 | 關于我們 | 聯(lián)系方式 | 使用協(xié)議 | 版權隱私 | 網(wǎng)站地圖 | 排名推廣 | 廣告服務 | 網(wǎng)站留言 | RSS訂閱 | 滬ICP備16055099號-3

充電樁網(wǎng) 版權所有 © 2016-2018 咨詢熱線:021-6117 0511  郵箱:sina@heliexpo.cn 在線溝通:

本網(wǎng)中文域名:充電樁網(wǎng).本站網(wǎng)絡實名:充電樁網(wǎng)-最專業(yè)的充電樁行業(yè)信息網(wǎng)站