得克萨斯农工大学开发出在极寒条件下也能正常工作的电池设计

盖世汽车讯 极端冬季天气会对电力系统造成压力，导致电动汽车熄火，并使备用电池在最需要的时候无法供电。据外媒报道，得克萨斯农工大学（Texas A&M University，TAMU）的研究人员开发出了一种即使在极寒条件下也能持续工作的电池设计。

图片来源：得克萨斯农工大学

该研究团队由工程学院（College of Engineering）化学工程教授兼研究副院长Jodie Lutkenhaus博士领导，已在《Journal of Materials Chemistry A》期刊上发表了关于聚合物电池的研究成果。

专为极寒环境设计的电池

Lutkenhaus博士表示，电池性能在寒冷天气下会下降，因为传统电池内部含有液态电解质来传输电荷。“如果电解质冻结，电荷就无法传输。因此，电池将无法充电或放电。2024年芝加哥寒潮的时候，这个问题就暴露出来了，当时电动汽车的电池因为温度过低甚至冻结，无法在充电站充电。”

该团队研发的新电池设计能够在零下40度的低温度下保持正常工作。Lutkenhaus博士说：“我们之所以能够做到这一点，是因为我们用一种不会结冰的电解质代替了会结冰的液态电解质。我们还用一种反应速度更快的软聚合物材料代替了低温下反应迟缓的硬质无机材料。”

研究人员研制出一种有机双离子电池，该电池使用氧化还原活性聚合物代替大多数商用电池中常用的无机电极材料。他们将这些聚合物电极与一种基于二甘醇二甲醚的低温电解质相结合，这种电解质在传统电解质开始结晶的温度下仍能保持流动性和导电性。

因此，该电池在0摄氏度（32华氏度）时仍能保持85%的容量，在零下40摄氏度（零下40华氏度）时则能保持55%的容量，同时维持了高比功率。

图片来源：得克萨斯农工大学 

电池在低温下失效的原因

电池化学原理依赖于离子在电解质中的运动；随着温度下降，这种运动会急剧减慢。

研究团队通过新型电池设计，将低温电解质与软聚合物电极相结合，避免了电池结构坍塌。这种软聚合物电极即使在系统冷却时也能保持柔韧性和电化学活性。Lutkenhaus博士说：“坚硬的无机材料在低温下通常反应迟缓，但柔聚合物材料可以更容易地移动离子。使用本身就能耐受低温的材料，电池就无需对抗自身的化学反应。”

碳纤维增强强度和稳定性

研究人员还着手解决机械耐久性问题，这是限制电池在严苛环境下性能的另一个因素。该团队没有使用金属集流体（金属集流体会增加电池重量并在应力作用下开裂），而是采用了碳纤维编织物。这种碳纤维编织物既增强了电池的强度，又能有效地传导电荷。

最终成果是一种“结构电池”，它既能存储能量，同时又能提供机械强度。这种双功能设计在电动汽车、无人机或任何对重量和结构完整性要求较高的系统中都具有优势。Lutkenhaus博士说：“随着时间的推移，机械应力会损坏电池，通过制造与结构融为一体的电池，我们可以同时减轻重量并提高耐用性。”

突破低温瓶颈

可靠的低温性能可能会对从个人电子产品到关键基础设施等各种系统产生影响。Lutkenhaus博士说：“遇到特大暴风雪或寒潮，电网可能会瘫痪。电池可以弥补这些停电和电力缺口。如果我们想要一个四季皆宜的能源系统，我们就需要不受温度波动影响的储能设备。”

虽然该电池仍处于研究阶段，但它展示了材料创新如何克服长期存在的性能瓶颈。这项研究预示着未来在极端天气下，储能将更加可靠。