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中国研究团队开发“冷膨胀”材料或解决锂离子电池冬季问题

盖世汽车 Elisha 2025-01-12 09:17:19

核心提示：对于在寒冷环境下使用的锂离子电池，具有负热膨胀的材料是富有前景的电极材料。

盖世汽车讯大多数固体热胀冷缩，与之相反，有些材料会在寒冷条件下膨胀。磷酸钛锂就是这样一种物质，可能解决锂离子电池在寒冷环境中性能急剧下降的问题。据外媒报道，在期刊《应用化学国际版（Angewandte Chemie-international Edition）》上发表的一篇文章中，中国团队证明了磷酸钛锂适合用于充电电池的电极。

（图片来源：onlinelibrary.wiley.com）

锂离子电池等充电电池基于金属离子，可以为人们的便携式设备提供电力、为车辆提供动力，以及储存太阳能和风能。这些电池在温暖环境中运行良好，但随着温度下降，它们的性能会急剧下降。对于电动汽车、航空航天和军事应用来说，这是一个问题。而采用集成加热器、改进电解质或电极涂层等措施，可能增加电池生产的成本和复杂性，或者降低性能。

造成低温问题的原因之一在于，电极材料中的锂离子扩散缓慢。上海东华大学和复旦大学，以及内蒙古大学（呼和浩特）的团队提出解决这种问题的新方法，即使用具有负热膨胀（NTE）性质的电化学储能材料来制造电极，例如磷酸钛锂（LiTi2（PO4）3，LTP）。

该团队以LTP为模型物质，从而展示具有NTE性质的电极材料可以在低温下提供良好的性能。晶体结构分析显示，TiO6八面体和PO4四面体的三维晶格具有开放、灵活的结构，其中包含“空腔”和“通道”，可以容纳锂离子。当温度冷却时，该结构会沿其晶轴之一伸展。

通过光谱测量和电子显微镜分析，并结合计算机建模，该团队确定原子的振动模式在低温下改变。这会增加某些氧原子发生的特殊横向振动，从而增加它们彼此之间的距离，并加宽晶格中的空腔。这有利于锂离子的存储和运输。在零下10℃，它们仍可实现25℃时84%的扩散速率。在零下10℃对碳涂层LTP进行的电化学测试也显示出良好的电化学性能，具有高容量和高速率性能，并且经过1000次充放电循环后具有高容量保持率。

因此，对于在寒冷环境下使用的锂离子电池，具有负热膨胀的材料是富有前景的电极材料。