發(fā)展極端低溫電池對(duì)于寒冷氣候下人類活動(dòng)以及極寒條件下太空探索和深海研究具有重要意義。然而，低溫下的電解液尤其是水系電解液存在易凍結(jié)的問(wèn)題，阻礙了電池在低溫下應(yīng)用。H2O-solute相圖存在三類典型的溫度參數(shù)——冰點(diǎn)（Tf）、共晶溫度（Te）、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。傳統(tǒng)的低溫防凍電解液設(shè)計(jì)策略一般聚焦于調(diào)控電解液的Tf，但Tf無(wú)法準(zhǔn)確反映出電解液的防凍低溫極限，僅通過(guò)調(diào)控Tf來(lái)設(shè)計(jì)防凍電解液，限制了高性能極端低溫電池的開(kāi)發(fā)。
近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心研究員胡勇勝和副研究員陸雅翔，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員趙君梅、香港中文大學(xué)教授盧怡君，基于對(duì)H2O-solute相圖的深入研究以及大量差示掃描量熱數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)，提出了極端低溫電解液的新型設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)異的極低溫水系鈉離子電池。這一電池的能量密度可達(dá)80Wh/kg，循環(huán)壽命可達(dá)5000周，運(yùn)行溫區(qū)為-85℃至25℃。
該團(tuán)隊(duì)基于對(duì)H2O-solute相圖的研究發(fā)現(xiàn)，Te決定電解液的熱力學(xué)防凍低溫極限，而Tg則決定電解液的動(dòng)力學(xué)防凍低溫極限，且只有在強(qiáng)過(guò)冷能力電解液體系中才能夠在Te和Tg之間保持足夠長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)冷液態(tài)。因此，該研究提出了設(shè)計(jì)低Te和強(qiáng)過(guò)冷能力的防凍電解液是實(shí)現(xiàn)極端低溫電池的重要路徑。進(jìn)一步，基于對(duì)大量H2O-salt和H2O-solvent體系差示掃描量熱數(shù)據(jù)的總結(jié)歸納以及多溶質(zhì)體系比單溶質(zhì)體系具有更低Te的共識(shí)，該團(tuán)隊(duì)提出了設(shè)計(jì)極端低溫水系電解液的通用策略，也就是低Te和強(qiáng)過(guò)冷能力的防凍電解液可以通過(guò)引入具有高陽(yáng)離子勢(shì)的鹽或者高溶劑給體數(shù)的共溶劑構(gòu)建多溶質(zhì)體系來(lái)實(shí)現(xiàn)。該策略是基于相圖的普適性特點(diǎn)而提出的，因此預(yù)期在未來(lái)可應(yīng)用于極端低溫非水系電解液的設(shè)計(jì)。
以鈉離子電池的低溫水系電解液設(shè)計(jì)為例，該研究通過(guò)引入高陽(yáng)離子勢(shì)的鹽和高溶劑給體數(shù)溶劑，設(shè)計(jì)了一系列鈉基的極端低溫防凍電解液并實(shí)現(xiàn)了極低的Te和Tg?；诜纼鲭娊庖?，組裝的NaFeMnHCF/H50EG50-2m NaCF3SO3/NaTi2(PO4)3電池室溫下能量密度80Wh/kg，8C倍率下循環(huán)5000周后容量保持率為70%，可以在-60℃至25℃之間正常工作，并在-70℃下點(diǎn)亮LED燈。組裝的NaFeMnHCF/1m NaClO4+4m Ca(ClO4)2/PTCDI電池室溫下能量密度65.7 Wh/kg，4C倍率下循環(huán)250周循環(huán)容量保持91.1%，且所組裝的10mAh軟包電池能夠在-85℃至25℃之間正常工作。
上述研究對(duì)極端低溫電解液的設(shè)計(jì)工作具有指導(dǎo)作用。相關(guān)研究成果以Rational design of anti-freezing electrolytes for extremely low-temperature aqueous batteries為題，發(fā)表在《自然-能源》（Nature Energy）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、香港研究資助局以及北京市、江蘇省等的支持。
