北方冬季“趴窩”的電動車，南方夏日“發(fā)燙”的手機(jī)……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(xué)聯(lián)合多家單位設(shè)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(jìn)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(dāng)前制約鋰電池發(fā)展的三大難題。”浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)獎頒發(fā)給了三位研發(fā)鋰電池的科學(xué)家。他們“馴服”了鋰離子，為所有人創(chuàng)造了一個可重復(fù)充電“超長待機(jī)”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(lǐng)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(dāng)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(zhì)上是通過鋰離子在正負(fù)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(dá)負(fù)極,鋰離子通過隔膜到達(dá)負(fù)極。在負(fù)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(guān)。
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(dǎo)率。
在這種情形下使用大電流充電，負(fù)極表面會聚集大量鋰原子，引起鋰枝晶在負(fù)極表面析出。析鋰不但會造成電池容量損失，性能下降，嚴(yán)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(guān)注電池耐寒性問題。
浙大團(tuán)隊研發(fā)的鋰離子軟包電池。浙江大學(xué)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(yīng)。
范修林說，電解液是電池中唯一與其它組件直接進(jìn)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(guān)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(dá)4年的研究，浙大團(tuán)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(tuán)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(xué)的潛在溶劑，進(jìn)而將23種目標(biāo)材料制作成電解液并應(yīng)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(jìn)鋰離子的快速傳輸動力學(xué)。
相關(guān)測試數(shù)據(jù)表明，浙大團(tuán)隊提出的新型電解液25℃室溫下的離子電導(dǎo)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(shè)計的鋰離子電池，能夠?qū)崿F(xiàn)充電10分鐘，達(dá)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(yīng)對商業(yè)化應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用于車載設(shè)備、電力通信、公共安全、應(yīng)急救援、醫(yī)療電子、鐵路、船舶、機(jī)器人等領(lǐng)域。”
對未來，范修林很有信心：“目前，我們團(tuán)隊已經(jīng)與相關(guān)企業(yè)開展緊密合作。”
近日，浙江大學(xué)聯(lián)合多家單位設(shè)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(jìn)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(dāng)前制約鋰電池發(fā)展的三大難題。”浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)獎頒發(fā)給了三位研發(fā)鋰電池的科學(xué)家。他們“馴服”了鋰離子，為所有人創(chuàng)造了一個可重復(fù)充電“超長待機(jī)”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(lǐng)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(dāng)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(zhì)上是通過鋰離子在正負(fù)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(dá)負(fù)極,鋰離子通過隔膜到達(dá)負(fù)極。在負(fù)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(guān)。
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(dǎo)率。
在這種情形下使用大電流充電，負(fù)極表面會聚集大量鋰原子，引起鋰枝晶在負(fù)極表面析出。析鋰不但會造成電池容量損失，性能下降，嚴(yán)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(guān)注電池耐寒性問題。
浙大團(tuán)隊研發(fā)的鋰離子軟包電池。浙江大學(xué)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(yīng)。
范修林說，電解液是電池中唯一與其它組件直接進(jìn)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(guān)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(dá)4年的研究，浙大團(tuán)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(tuán)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(xué)的潛在溶劑，進(jìn)而將23種目標(biāo)材料制作成電解液并應(yīng)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(jìn)鋰離子的快速傳輸動力學(xué)。
相關(guān)測試數(shù)據(jù)表明，浙大團(tuán)隊提出的新型電解液25℃室溫下的離子電導(dǎo)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(shè)計的鋰離子電池，能夠?qū)崿F(xiàn)充電10分鐘，達(dá)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(yīng)對商業(yè)化應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用于車載設(shè)備、電力通信、公共安全、應(yīng)急救援、醫(yī)療電子、鐵路、船舶、機(jī)器人等領(lǐng)域。”
對未來，范修林很有信心：“目前，我們團(tuán)隊已經(jīng)與相關(guān)企業(yè)開展緊密合作。”
