作为实现零碳目标的关键一环，汽车行业从燃油电向绿电转型是未来的发展趋势。中国汽车技术协会编发的第《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》号文件指出：“到2035年，我国汽车产业要基本实现电动化转型，新能源汽车将逐步成为主流产品和市场”汽车保有量将逐步增加，占汽车总数的50%以上。”尽管目前电动汽车的普及率逐年提高，但其进一步的发展始终受到耐久性低、充电时间长、高低温下性能快速劣化以及安全问题等问题的阻碍。关于电动汽车。尤其是电池问题一直是电动汽车的“老大难”。目前，市场上主流的锂离子电池在正常工作条件下表现出良好的性能，但在极端条件下的表现却不尽如人意，这主要是由于目前电解液的限制，这不是你能做到的。例如，市售的碳酸盐基电解质在低至约-30C的温度下会固化，导致电池故障。其电压范围仅4.3伏以内，且易燃，极易造成安全隐患。为了克服上述弊端，马里兰大学化学与生物分子工程系教授、极限电池研究中心主任王春生及其团队开展了多项相关研究。最近，他们提出了一种新的电解质设计方法，将锂离子电池的工作温度范围从（-20C，+50C）扩展到（-60C，+60C）。值得注意的是，这项研究与产业密切相关，只需使用这种新型电解液，无需改变现有电池材料或制造工艺，即可在各种极端条件下使用，实现电池性能的全面提升。极端条件下的能量密度、快充性能和电池安全性。
图丨相关论文（来源：Nature）
2023年2月9日，相关论文发表在《Nature》上，标题为《极端工作条件下锂离子电池的电解液设计》（极端工作条件下的锂离子电池电解液设计）[1]。
马里兰大学化学与生物分子工程系助理研究科学家徐继建是该论文的第一作者，美国陆军研究所王春生教授和Oleg Borodin博士是该论文的共同通讯作者。纸。
徐继健说： “如果我们希望锂离子电池在极端条件下发挥最佳性能，我们不仅要扩大电池的工作温度范围，还要考虑充电效率、电压窗口和安全性。因此，这项新研究代表了一项重大电池研究这种新的基于软溶剂的电解质设计方法平衡了锂离子溶剂、盐溶解和电解质界面层之间的相互作用。这保证了电池的优越性能，集宽温范围充放电能力（60）、高电压（4.5伏）、快速充电（15分钟）和更安全的NMC811||石墨电池于一身。可能的。
图丨电解液物理性质及MD计算结果（来源：Nature）
在实验过程中，研究团队还发现，合理的电解液设计可以减少低温条件下电池的容量损失。一般来说，电动汽车用锂离子电池的性能随着温度的下降而下降，在-10时，容量和工作电压明显下降。尤其在-20C时性能下降更为明显，仅能维持室温容量的30%左右。
该研究小组设计的新型电解质使得4.5伏NMC811||石墨电池即使在超低温（-50C）环境下也能提供室温下75%的容量。 “即使电池的工作温度降至-60摄氏度，在室温下也能保留一半以上的容量。”徐继建说。
图| 电解质设计方法（来源：Nature）
那么这种软溶剂基电解质设计方法到底是如何工作的呢？首先，该方法的核心是使用低施主数(小于10)和高介电常数(大于5)的溶剂，筛选是为了确保锂盐的解离，同时最小化锂离子的去溶剂化能。其次，研究人员在电解液中添加了共溶剂成分，由于这种共溶剂具有较高的还原电位，因此在正极和负极上形成了类似的富含氟化锂的界面层，产生了类似的结果。正极和负极的脱锂动力学促进了富含氟化锂的界面层的形成。第三，利用分子动力学模拟来筛选软溶剂和助溶剂分子，以最小化整体和界面阻抗，从而实现快速充电和放电。最后，通过匹配正负极的热力学（容量）和动力学（阻抗），NMC811||石墨电池可以实现宽温度范围内的快速充电和充放电，且不会出现锂析出。
实验室照片丨徐继建（来源：徐继建）
为了检验这个概念，团队进行了一项实验。结果证明，1 MLiTFSI MDFA/MDFSA-TTE电解液在极端条件下能够实现负极和正极之间的电容和阻抗匹配。 4.5 伏NMC811|| 石墨全电池面积容量超过2.5 mAh cm2，可在宽温度范围（-60 C 至+60 C）下稳定运行。而且，即使在-30、300次循环下，软包电池也能实现83%以上的电池容量，平均库伦效率超过99.9%。下一步，研究团队计划进一步设计电解质，在不影响离子电导率的情况下降低电荷转移阻力。通过进一步提高电解液的离子电导率，提高倍率性能，实现更好的快充性能。据报道，这项研究的合作者包括美国陆军研究实验室、罗格斯大学、新泽西州立大学和布鲁克海文国家实验室。参考文献1. J. Xu、J. 张、T.P. Pollard、Q. Li、S. Tan、S. Hou、H. Wan、Fu Chen、Huaixin He、Enyuan Hu、Kang Xu、Xiao-Qing Yang、Oleg Borodin。 C. Wang.“极端工作条件下锂离子电池的电解质设计”，Nature. (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05627-8
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