高能量密度锂硫电池研究进展论文

能耐极寒和酷热的新型锂离子电池开发成功

能耐极寒和酷热的新型锂离子电池开发成功，美国加州大学圣地亚哥分校工程师开发了一种锂离子电池，该电池在极寒和酷热的温度下表现良好，能耐极寒和酷热的新型锂离子电池开发成功。

近期，加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的工程师们开发出了一种新型锂离子电池，据称这种电池在极冷和高温下都能表现良好，同时仍能储存大量能量。

根据研究人员的说法，这一“壮举”是通过开发一种新型电解质实现的。这种电解质不仅可以在较宽的温度范围内坚挺耐用，而且可以与高能阳极和阴极兼容。上述研究成果已于近期发表在了《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

UCSD雅各布斯工程学院纳米工程学教授、该研究的资深作者Zheng Chen表示，基于这项技术开发的车用电池，即使在寒冷气候下也能让电动汽车行驶更远。此外，它们还可以减少对冷却系统的需求，以防止车辆的电池组在炎热气候下过热。

Chen 解释说：“高温对于汽车电池来说是一个重大挑战。在电动汽车中，电池组通常位于底盘，更靠近炎热的道路。此外，电池在运行过程中会因电流通过而升温。如果电池不能承受这种高温，它们的性能将迅速下降”。

在测试中，该电池在-40°C和50°C下分别保留了和的能量容量。在这些温度下，它们还分别具有和的高库伦效率，这意味着电池在停止工作之前可以进行更多的充放电循环。

上述优异的性能都要归功于Chen和同事们开发的独特电解质。它由二丁醚与锂盐混合而成的液体溶液制成。二丁醚的一个特点是其分子与锂离子的结合较弱。换句话说，当电池运行时，电解质分子很容易释放锂离子。

研究人员在之前的一项研究中发现，这种微弱的分子相互作用可以提高电池在零下温度下的性能。另外，二丁醚很容易吸收热量，因为它在高温下保持液态(沸点为141°C)。

附加优势

此外，这种电解质的另一个特别之处在于它与锂硫电池兼容，锂硫电池是一种可充电电池，其阳极由锂金属制成，阴极由硫制成。锂硫电池是下一代电池技术的重要组成部分，因为它拥有更高的能量密度和更低的成本。

据了解，锂硫电池每公斤存储的能量是当今锂离子电池的两倍，这可以使电动汽车的续航里程增加一倍，而不会增加电池组的重量。此外，与传统锂离子电池阴极中使用的钴相比，硫的储量更为丰富。

但锂硫电池也存在问题。阴极和阳极都是超活性的。硫阴极非常活泼，在电池运行过程中会溶解；在高温下，这个问题会变得更严重。锂金属阳极容易长出枝晶，会导致电池短路，甚至有起火风险。因此，锂硫电池最多只能循环使用几十次。

“如果你想要一个高能量密度的电池，你通常需要使用非常苛刻、复杂的化学物质，”Chen说，“高能量意味着更多的反应发生，这意味着更少的稳定性，更多的降解。制造一种稳定的高能电池本身就是一项艰巨的任务，试图在更大的温度范围内做到这一点更具挑战性。”

UCSD研究团队开发的二丁醚电解质可以防止这些问题。即使在极端温度下，他们测试的电池也比典型的锂硫电池有更长的循环寿命。Chen说，“我们的电解液有助于改善阴极侧和阳极侧，同时提供高导电性和稳定性”。

美国加州大学圣地亚哥分校工程师开发了一种锂离子电池，该电池在极寒和酷热的温度下表现良好，同时还能储存大量电能。本周发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文描述了这种耐温度变化的电池。

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授、该研究的资深作者陈政说，这种电池可让寒冷气候下的电动汽车一次充电就能行驶更远；还可减少对冷却系统的.需求，以防止车辆的电池组在炎热气候下过热。

研究人员在冰点以下温度测试电池。图片来源：David Baillot/加州大学圣地亚哥分校

在测试中，概念验证电池在-40℃和50℃下分别保留了和的电能容量。在这些温度下，它们还分别具有和的高库仑效率，这意味着电池在停止工作之前可进行更多的充电和放电循环。

研究人员此次开发了一种更好的电解质，这种电解质既耐寒又耐热，而且与高能阳极和阴极兼容。电解质由二丁醚与锂盐混合而成的溶液制成。二丁基醚的一个特点是其分子与锂离子的结合较弱，当电池运行时，电解质分子很容易释放锂离子。

这种电解质的另一个特别之处在于它与锂硫电池兼容。锂硫电池是下一代电池技术的重要组成部分，因为它们有望实现更高的能量密度和更低的成本。但锂硫电池的阴极和阳极都具有超强反应性。在高温下，锂金属阳极容易形成称为枝晶的针状结构，可刺穿电池的某些部分，导致电池短路。结果，锂硫电池只能持续数十次循环。

二丁基醚电解质可防止这些问题，即使在高温和低温下也是如此。他们测试的电池比典型的锂硫电池具有更长的循环寿命。研究团队还通过将硫阴极接枝到聚合物上来设计更稳定的硫阴极。这可以防止更多的硫溶解到电解液中。

团队表示，下一步研究工作将包括扩大电池化学成分、优化电池以使其在更高的温度下工作以及进一步延长循环寿命。

一种新型锂离子电池既可以在零下 40°C 的低温下工作，也可以在 50°C 的高温下工作。这种新型电池阴极使用硫制作，电池可以储存更多的能量。这是来自加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的一项新研究。

这种电池可以增加电动汽车在寒冷温度下的行驶里程。此外，它们还可以用于卫星、航天器、高空无人机和潜艇。UCSD 纳米工程教授陈政（Zheng Chen）表示：通过大幅扩展锂电池的可操作窗口，我们可以为电动汽车之外的应用提供更强大的电化学物质。

目前来看，电池用石墨阳极和锂金属氧化物阴极，这种组合不能很好地处理极端温度。高温会加剧电池内部本已高度活跃的化学环境，引发分解电解质和其他电池材料的副反应，导致不可逆转的损害。与此同时，低温会使液体电解质变稠，所以锂离子在其中缓慢移动，导致电能损耗和充电缓慢。

对电池进行绝缘或从内部加热的方法有助于解决低温问题。研究人员之前还对电解质进行设计以扩大电池温度范围，但这可以提高低温或高温下的性能，而不是同时提高性能。

陈政教授团队的研究《Solvent selection criteria for temperature-resilient lithium–sulfur batteries》刊登在了 7 月 5 日的《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，他们表示新型耐极端温度电池的核心是找到一种新电解质。

他们通过将锂盐溶解在二丁醚溶剂中来制造电解质。与现有的用于电池的碳酸乙烯溶剂不同，新材料在零下 100°C 的温度下不会结冰，也不容易蒸发。此外，其溶剂分子与锂离子结合较弱，所以锂离子在其中移动更自由，即使在冰点温度下。

UCSD 团队通过将硫附着在塑料基材上来解决硫阴极降解问题。同时，新的电解质允许锂离子的均匀传输，因此它们没有机会粘在一起并形成枝晶。

在团队测试中，原型电池持续了 200 次循环，并在 -40°C 下还能保持超过 87% 的原始容量。在 50°C 时，电池的容量增加了 15%，陈政教授表示，因为更高的温度会增加电荷转移和锂离子通过电解质并扩散到电极上，因而推动了电池容量和能量极限 。

该研究的第一作者、UCSD 纳米工程博士后研究员 Guorui Cai 准备了一个电池袋电池（battery pouch cell），用于在低于冰点的温度下进行测试。

这种电解质的另一个特别之处在于它与锂硫电池兼容，锂硫电池是一种可充电电池，其阳极由锂金属制成，阴极由硫制成。锂硫电池是下一代电池技术的重要组成部分，因为这种电池具有更高的能量密度和更低的成本。

它们每公斤存储的能量是当今锂离子电池的两倍——这可以使电动汽车的续航里程增加一倍，而不会增加电池组的重量。此外，与传统锂离子电池阴极中使用的钴相比，硫的来源更丰富且问题更少。

但锂硫电池存在另一些问题——其阴极和阳极都过于活跃。硫正极非常活泼，以至于它们在电池运行期间会溶解。这个问题在高温下会变得更糟。锂金属阳极容易形成称为枝晶的针状结构，可以刺穿电池的某些部分，导致电池短路。因此，锂硫电池只能持续数十次循环。

「如果你想要一个能量密度高的电池，你通常需要使用非常精确、复杂的化学物质，」陈政说道。「高能量意味着更多的反应正在发生，这意味着稳定性更低，降解更多。制造稳定的高能电池本身就是一项艰巨的任务——试图在很宽的温度范围内做到这一点更具挑战性。」

UCSD 研究小组开发的二丁醚电解质可以防止这些问题，即使在高温和低温下也是如此。他们测试的电池比典型的锂硫电池具有更长的循环寿命。「我们的电解质有助于改善阴极和阳极侧，同时提供高导电性和界面稳定性，」陈政介绍说。

该团队还通过将硫阴极接枝到聚合物上来设计更稳定的硫阴极。这可以防止更多的硫溶解到电解液中。

接下来的步骤包括扩大电池化学成分，优化它以在更高的温度下工作，并进一步延长循环寿命。

UCSD 纳米工程教授陈政。

容量的增加不一定是一件好事，因为这同时也会使电池负担过重。为了解决这个问题，研究人员必须进一步改进电池的化学成分，以便它能够维持更多的充电周期。他们还计划通过更多的细胞工程来提高能量密度。目前，新电池的密度仅比今天的锂离子电池略高一点，与锂硫理论上的承诺相差无几。「我们至少可以将能量密度提高 50%，」陈政表示。「这就是希望，这就是承诺。」