中科院研究人员设计电池防冻电解质新策略 可在极寒环境下运行

盖世汽车讯 能够在极低温度下可靠运行的电池技术对于广泛的应用来说可能非常有价值。例如，这些电池可以为外太空、深海和其他极端环境中的设备、车辆和机器人系统供电。

为了在这些环境中安全有效地运行，电池应该具有不会冻结或对温度大幅下降产生不利反应的组件。一种建议的解决方案是设计含有所谓防冻电解质的可充电水性电池。

据外媒报道，中国科学院和中国其他研究所的研究人员最近制定出一种设计水性电池防冻电解液的新策略。相关论文已发表于期刊《Nature Energy》。论文中称该研究重点关注两个特定的温度相关因素，而这两个因素迄今为止并不是防冻电解液设计的主要关注点。

图片来源：期刊《Nature Energy》

“通过选择合适的H2O溶质系统来设计防冻电解质对于低温水系电池（LTAB）至关重要，”Liwei Jiang、Shuai Han及其同事在论文中写道。“然而，缺乏基于决定性温度限制因素选择H2O溶质系统的有效指导方针阻碍了LTAB的发展。在这里，我们确定了两个决定性因素：热力学共晶温度（Te）和动力学玻璃化转变温度（Tg），只有当H2O溶质系统具有强大的过冷能力时，Tg才适用于LTAB。”

之前大多数旨在设计防冻电解质的研究都集中在调节所谓的凝固点（Tf），这实际上是液体冻结并变成固体的确切点，且可以通过多种不同的方法实现。尽管如此，Tf可能不是限制电池在低温下运行的最关键因素。事实上，一些电解质允许电池在部分冻结的情况下在低温下运行，因此温度低于其Tf点。

因此，在论文中，Jiang、Han和他们的同事重点研究了另外两个与温度相关的因素，即Te和Tg。其中，Te是液体溶液在给定压力下保持稳定的最低温度，而Tg是分子开始移动的温度，低于该温度时，分子移动性会冻结，从而促使其转变为刚性玻璃相。

研究人员写道：“我们提出了一种通用策略，即通过引入具有高离子势阳离子（例如Al3+、Ca2+）的辅助盐，或具有高供体数量的共溶剂（例如乙二醇），创建多溶质系统，可以实现低Te和强超冷能力的电解质。作为Na基系统的演示，我们设计了具有超低Te（−53.5℃至−72.6℃）和Tg（−86.1℃至−117.1℃）的电解质，展示了电池性能，包括在25℃下实现能量密度80 Wh kg−1和5,000次循环，以及在−85℃下可实现12.5 Wh kg−1的能量密度。”

研究人员在论文中证明了一种详细的指导方针，可用于设计用于低温运行的水电池的防冻电解质。未来，该指导方针可能会对其他研究小组有用，有可能有助于为旨在部署在太空、深海和其他极低温度环境中的技术开发性能更好的电池解决方案。