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全新锂离子电池电解液,-60℃仍可提供54%的室温容量

2023-02-13 14:28:00 综合报道 阅读:
美国马里兰大学化学与生物分子工程系教授、极端电池研究中心主任王春生团队,提出了一种全新的电解液设计方法,将锂离子电池的工作温区从(-20℃,+50℃)扩展到(-60℃,+60℃)。

今年春运一位开电动车回家的车主上了热搜,起因是他开的特斯拉model Y,从青岛到牡丹江约2000公里的路程充了14次电。这主要是因为冬季电动车续航严重下降,特斯拉model Y标准续航版标称的续航里程是435公里,在青岛的续航大概可以维持在350公里左右,而进入辽宁省以后,车辆的续航就掉到了240公里上下。SLfednc

导致续航骤降最大的原因就是气温,现如今无论是电动汽车还是智能手机使用的基本上都是锂离子电池。当温度降低,锂离子电池的溶剂分子之间偶极作用增强,使得溶剂凝固。固化后的电解质基本丧失传导锂离子的能力,限制了锂离子与电极作用。常规基于碳酸酯的商用电解液在大约 -30℃ 的低温下就会凝固,导致电池无法正常工作 。SLfednc

近日,一项针对上述缺陷的研究成果于发表,美国马里兰大学化学与生物分子工程系教授、极端电池研究中心主任王春生团队,提出了一种全新的电解液设计方法,将锂离子电池的工作温区从(-20℃,+50℃)扩展到(-60℃,+60℃)。相关论文以《极端工作条件下锂离子电池的电解液设计》(Electrolyte design for Li-ion batteries under extreme operating conditions)为题发表在Nature上。SLfednc

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当前基于碳酸酯的电解液不能满足锂离子电池(LIBs)大部分极端条件下的要求,因为它们的电压窗口被限制在4.3V,它们的工作温度范围很窄(-20℃到+50℃),而且易燃。之前的研究一般通过引入一系列低凝固点的共溶剂,如线性羧酸酯或醚,来降低电解液的凝固点,从而实现低温工作。然而,这些羧酸酯类和醚类的电化学稳定性较窄。SLfednc

而此项研究的核心是筛选具有较低施主数(小于10)和高介电常数(大于5)的溶剂,从而保证锂盐的解离,同时最大限度地减小锂离子脱溶剂化能。然后研究人员将一种共溶剂成分添加至电解液,由于这种共溶剂具有高还原电位,进而在正极和负极形成相似的富含氟化锂的界面层,并促进正极和负极上的相似的嵌锂/脱锂动力学。接着利用分子动力学模拟,筛选出能够最大程度减小整体和界面阻抗的软溶剂和共溶剂分子,从而实现快速充放电。最后,通过匹配正极和负极的热力学(容量)和动力学(阻抗),从而让NMC811||石墨电池可实现快充和宽温区充放电,而不产生锂沉积。SLfednc

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电解质的设计方法 资料来源:NatureSLfednc

据介绍,使用此种电解质设计策略的NMC811||石墨电池,满足宽温区充放电能力(±60℃)、更高电压(≥4.5 伏)、快速充电(≤15 分钟)、不易燃烧等需求。面容量超过2.5mAh/cm2 的4.5V NMC811||石墨全电池在-50℃(-60℃)充放电时,仍能保留75%(54%)的室温容量。并且,软包电池即便在-30℃、300 次循环时,仍能实现超过83%的电池容量,其平均库伦效率在99.9%以上。SLfednc

本研究成果的第一作者徐吉健表示:“想让锂离子电池在极端条件下实现最佳性能,不仅要拓宽电池的工作温区,还应兼顾充电效率、电压窗口和安全性。因此,这次的新研究可以说是电池领域的一次重大突破。”下一步,课题组将进一步设计电解液,以减少电荷转移的阻力,而不损害离子传导性。进一步提高电解液的离子电导,从而改善倍率性能,实现更好的快充性能。SLfednc

论文链接:Electrolyte design for Li-ion batteries under extreme operating conditionsSLfednc

责编:Ricardo
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