锂电池，将可应对-70℃超低温 历时4年研究浙大找到一种新型电解液
潮新闻客户端 记者 何冬健 杨一凡 通讯员 柯溢能
范修林（右二）指导团队成员攻关。 浙江大学供图
北方冬季“趴窝”的电动车，南方夏日“发烫”的手机……这些在我们日常生活中“添麻烦”的小场景，正是由于锂电池“娇贵”的耐候性所致。
近日，浙江大学联合多家单位设计出一款新型电解液，不仅能够支持锂电池在-70℃到60℃的超宽温区内进行可逆充放电，还可以使得锂电池在10分钟内完成快速充放电。
“快速充电、低温运行和安全问题，是当前制约锂电池发展的三大难题。”浙江大学材料科学与工程学院范修林研究员说，“面向世界科技前沿，我们勇于做‘探险家’，在科技的‘无人区’披荆斩棘。”
2019年，诺贝尔化学奖颁发给了三位研发锂电池的科学家。他们“驯服”了锂离子，为所有人创造了一个可重复充电“超长待机”的世界。
然而，广受欢迎的锂电池亦有缺陷——零下20℃至55℃，是它工作的常规温度。近年来，电动工具、电动汽车及光伏电站等领域都“相中”了它，从赤道到两极都有它的出现，如果仅限在常规温度，锂电池显然无法满足当下迫切的需求。
一组数据可以说明：若在零下20℃条件下工作，锂电池放电容量仅为常温下的70%左右；若在超过60℃条件下工作，电池寿命将急速衰减。
要解决上述难题，首先要弄明白，锂电池在极端气温下为什么会充放电变慢。
范修林介绍，锂电池本质上是通过锂离子在正负极之间的迁移，来实现能量的存储和释放。充电时,正极上的锂原子会分解成锂离子和电子,电子通过外电路到达负极,锂离子通过隔膜到达负极。在负极锂离子与电子相遇,这样又重新变成锂原子。正是这种独特的特性，它被形象地称为“摇椅电池”。
换句话说，锂电池充放电的速率和锂离子在电池中移动的速度有关。
于是，北方冬季“趴窝”的电动车，可以说是被“冻僵”了——环境温度降低，电池内阻增大，此时锂离子的迁移将变得十分困难，充放电性能也因此变差。
同时，液态锂离子电池首次充放电过程中，电极和电解液在接触面上会形成一层钝化层。虽然这样的钝化层可以防止电解液的持续分解损坏电极，但在低温环境下，这层SEI膜会越来越厚，阻抗增加，也会降低锂离子电导率。
在这种情形下使用大电流充电，负极表面会聚集大量锂原子，引起锂枝晶在负极表面析出。析锂不但会造成电池容量损失，性能下降，严重时还会刺穿隔膜，引发安全事故。
气候叠加锂电池的“怕冷”特性，成为影响新能源汽车推广的一大因素。家在辽宁沈阳的夏铭（化名）为了方便上班、出游最近考虑购车，“国产电动车我看过五六款，确实很心动，还试驾了其中三款。”但开过新能源车的朋友，却给她兜头浇了一盆凉水：“等到了冬天，看你咋整。”夏铭说，她身边也有打算买新能源车的朋友，考虑到冬天续航被“劝退”了。
中国汽车流通协会新能源分会秘书长章弘表示，在新能源汽车的发展过程中，需要更加关注电池耐寒性问题。
浙大团队研发的锂离子软包电池。浙江大学供图
最佳配方
超宽温区，快速充电
记者在实验室看到，锂离子软包电池外形像是一块块压缩饼干，不同电解液的“配比”却能展现出不同的功能效应。
范修林说，电解液是电池中唯一与其它组件直接进行物理接触的元素，在实际运行中很大程度上决定着电池的工作温区、充放电倍率、循环稳定性及寿命。“在锂电池中要实现快充的突破，电解液至关重要，而传统电解液中的锂离子传输模式无法实现锂离子的快速迁移。” 他说。
所以，有没有一种方式或者是材料，能够同时满足锂离子能高速移动，同时拥有超宽温区呢？
经过长达4年的研究，浙大团队最终确定了电解液的最佳配方。面对几万种的溶剂，浙大团队首次建立了一套溶剂筛选原则，用于筛选宽温域内快速锂离子动力学的潜在溶剂，进而将23种目标材料制作成电解液并应用于锂电池，展开实证研究。
“我们发现在氟乙腈溶剂中，锂离子与溶剂分子之间作用力弱，只需较少能量就能快速移动，在低温情况下也能稳定移动。”四年心血，一朝功成，回想起来，范修林依旧有些激动。同时，尺寸小的溶剂分子，可以与锂离子相互作用，形成连续的锂离子运输配体通道，促进锂离子的快速传输动力学。
相关测试数据表明，浙大团队提出的新型电解液25℃室温下的离子电导率是商用电解液的4倍；在-70℃时高于商用电解液3个数量级以上。“在同等条件下，我们设计的锂离子电池，能够实现充电10分钟，达到八成充电量，展现出超快的离子传输行为。”范修林说，快充性能优异，也意味着低温充放电性能较为优异，“在低温下我们的电池也能展现出良好的性能”。
更大市场
应对商业化应用挑战
一块怕冷的锂电池背后，折射的却是新能源行业尚待打开的更大市场。
被放大的“里程焦虑”，让不少人对新能源汽车望而却步。近年来，不少动力电池上下游企业花了大量精力提升电池在低温情况下的使用效率。
第四届“杭州工匠”、汽车专家韩晨洪表示，为了保证电池包的温度，目前给新能源汽车加装正温度系数热敏电阻加热器（PTC）和热泵是业内常用的方案。但采用热泵和PTC两种方式的能耗相差30%以上，PTC的耗电量大，对电动车冬季续航影响大。采用这样的外部加温方案，意味着本来容量就衰减的电池需要在制暖方面多耗电。此外，动力电池的半固态和固态电池等创新也在进行，都在致力于确保续航里程、安全性等要求下能够大规模商业化应用。
多位从业者向记者表示，锂电池的电解液实现突破性创新，如果能实现大规模商业化应用，将产生极大的效益。但是，从实验室的研究成果落地到商用，还有一段路要走。
范修林表示，对比目前的商用电解液，新型电解液具有更优异的倍率性能和低温性能。由于电解液在宽温域内的超快离子传输和稳定的电化学界面，未来的前景还是很可观的。但他也指出，“在大规模商业化应用上，新型溶剂成本较高是一个较大的挑战”。
他表示，该研究成果可以率先在极地科考、空间探测、海底勘探等极端温度情况中应用。同时，他也表示，电解液的突破对钠离子电池和钾离子电池也十分有效，未来可用于更多场景，“比如应用于车载设备、电力通信、公共安全、应急救援、医疗电子、铁路、船舶、机器人等领域。”
对未来，范修林很有信心：“目前，我们团队已经与相关企业开展紧密合作。”
“转载请注明出处”
锂电池，将可应对-70℃超低温 历时4年研究浙大找到一种新型电解液
潮新闻 记者 何冬健 杨一凡 通讯员 柯溢能
范修林（右二）指导团队成员攻关。 浙江大学供图
北方冬季“趴窝”的电动车，南方夏日“发烫”的手机……这些在我们日常生活中“添麻烦”的小场景，正是由于锂电池“娇贵”的耐候性所致。
近日，浙江大学联合多家单位设计出一款新型电解液，不仅能够支持锂电池在-70℃到60℃的超宽温区内进行可逆充放电，还可以使得锂电池在10分钟内完成快速充放电。
“快速充电、低温运行和安全问题，是当前制约锂电池发展的三大难题。”浙江大学材料科学与工程学院范修林研究员说，“面向世界科技前沿，我们勇于做‘探险家’，在科技的‘无人区’披荆斩棘。”
极端天气
“冻僵”的锂电池
2019年，诺贝尔化学奖颁发给了三位研发锂电池的科学家。他们“驯服”了锂离子，为所有人创造了一个可重复充电“超长待机”的世界。
然而，广受欢迎的锂电池亦有缺陷——零下20℃至55℃，是它工作的常规温度。近年来，电动工具、电动汽车及光伏电站等领域都“相中”了它，从赤道到两极都有它的出现，如果仅限在常规温度，锂电池显然无法满足当下迫切的需求。
一组数据可以说明：若在零下20℃条件下工作，锂电池放电容量仅为常温下的70%左右；若在超过60℃条件下工作，电池寿命将急速衰减。
要解决上述难题，首先要弄明白，锂电池在极端气温下为什么会充放电变慢。
范修林介绍，锂电池本质上是通过锂离子在正负极之间的迁移，来实现能量的存储和释放。充电时,正极上的锂原子会分解成锂离子和电子,电子通过外电路到达负极,锂离子通过隔膜到达负极。在负极锂离子与电子相遇,这样又重新变成锂原子。正是这种独特的特性，它被形象地称为“摇椅电池”。
换句话说，锂电池充放电的速率和锂离子在电池中移动的速度有关。
于是，北方冬季“趴窝”的电动车，可以说是被“冻僵”了——环境温度降低，电池内阻增大，此时锂离子的迁移将变得十分困难，充放电性能也因此变差。
同时，液态锂离子电池首次充放电过程中，电极和电解液在接触面上会形成一层钝化层。虽然这样的钝化层可以防止电解液的持续分解损坏电极，但在低温环境下，这层SEI膜会越来越厚，阻抗增加，也会降低锂离子电导率。
在这种情形下使用大电流充电，负极表面会聚集大量锂原子，引起锂枝晶在负极表面析出。析锂不但会造成电池容量损失，性能下降，严重时还会刺穿隔膜，引发安全事故。
气候叠加锂电池的“怕冷”特性，成为影响新能源汽车推广的一大因素。家在辽宁沈阳的夏铭（化名）为了方便上班、出游最近考虑购车，“国产电动车我看过五六款，确实很心动，还试驾了其中三款。”但开过新能源车的朋友，却给她兜头浇了一盆凉水：“等到了冬天，看你咋整。”夏铭说，她身边也有打算买新能源车的朋友，考虑到冬天续航被“劝退”了。
中国汽车流通协会新能源分会秘书长章弘表示，在新能源汽车的发展过程中，需要更加关注电池耐寒性问题。
浙大团队研发的锂离子软包电池。浙江大学供图
最佳配方
超宽温区，快速充电
记者在实验室看到，锂离子软包电池外形像是一块块压缩饼干，不同电解液的“配比”却能展现出不同的功能效应。
范修林说，电解液是电池中唯一与其它组件直接进行物理接触的元素，在实际运行中很大程度上决定着电池的工作温区、充放电倍率、循环稳定性及寿命。“在锂电池中要实现快充的突破，电解液至关重要，而传统电解液中的锂离子传输模式无法实现锂离子的快速迁移。” 他说。
所以，有没有一种方式或者是材料，能够同时满足锂离子能高速移动，同时拥有超宽温区呢？
经过长达4年的研究，浙大团队最终确定了电解液的最佳配方。面对几万种的溶剂，浙大团队首次建立了一套溶剂筛选原则，用于筛选宽温域内快速锂离子动力学的潜在溶剂，进而将23种目标材料制作成电解液并应用于锂电池，展开实证研究。
“我们发现在氟乙腈溶剂中，锂离子与溶剂分子之间作用力弱，只需较少能量就能快速移动，在低温情况下也能稳定移动。”四年心血，一朝功成，回想起来，范修林依旧有些激动。同时，尺寸小的溶剂分子，可以与锂离子相互作用，形成连续的锂离子运输配体通道，促进锂离子的快速传输动力学。
相关测试数据表明，浙大团队提出的新型电解液25℃室温下的离子电导率是商用电解液的4倍；在-70℃时高于商用电解液3个数量级以上。“在同等条件下，我们设计的锂离子电池，能够实现充电10分钟，达到八成充电量，展现出超快的离子传输行为。”范修林说，快充性能优异，也意味着低温充放电性能较为优异，“在低温下我们的电池也能展现出良好的性能”。
更大市场
应对商业化应用挑战
一块怕冷的锂电池背后，折射的却是新能源行业尚待打开的更大市场。
被放大的“里程焦虑”，让不少人对新能源汽车望而却步。近年来，不少动力电池上下游企业花了大量精力提升电池在低温情况下的使用效率。
第四届“杭州工匠”、汽车专家韩晨洪表示，为了保证电池包的温度，目前给新能源汽车加装正温度系数热敏电阻加热器（PTC）和热泵是业内常用的方案。但采用热泵和PTC两种方式的能耗相差30%以上，PTC的耗电量大，对电动车冬季续航影响大。采用这样的外部加温方案，意味着本来容量就衰减的电池需要在制暖方面多耗电。此外，动力电池的半固态和固态电池等创新也在进行，都在致力于确保续航里程、安全性等要求下能够大规模商业化应用。
多位从业者向记者表示，锂电池的电解液实现突破性创新，如果能实现大规模商业化应用，将产生极大的效益。但是，从实验室的研究成果落地到商用，还有一段路要走。
范修林表示，对比目前的商用电解液，新型电解液具有更优异的倍率性能和低温性能。由于电解液在宽温域内的超快离子传输和稳定的电化学界面，未来的前景还是很可观的。但他也指出，“在大规模商业化应用上，新型溶剂成本较高是一个较大的挑战”。
他表示，该研究成果可以率先在极地科考、空间探测、海底勘探等极端温度情况中应用。同时，他也表示，电解液的突破对钠离子电池和钾离子电池也十分有效，未来可用于更多场景，“比如应用于车载设备、电力通信、公共安全、应急救援、医疗电子、铁路、船舶、机器人等领域。”
对未来，范修林很有信心：“目前，我们团队已经与相关企业开展紧密合作。”
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