導讀：許多(duō)電(diàn)動汽車(chē)的車(chē)主擔心他們的電(diàn)池在非常寒冷的天氣裏不耐用。現在一種新的電(diàn)池化學方法可(kě)能已經解決了這個(gè)問題。科學家(jiā)為(wèi)锂離子電(diàn)池開(kāi)發了一種新型更安全的電(diàn)解質，它在0華氏度（-17.8攝氏度）以下的條件下和(hé)在室溫下一樣有(yǒu)效。
在目前的锂離子電(diàn)池中，主要問題在于液體(tǐ)電(diàn)解質。這個(gè)關鍵的電(diàn)池組件在電(diàn)池的兩個(gè)電(diàn)極之間(jiān)轉移稱為(wèi)離子的電(diàn)荷攜帶顆粒，導緻電(diàn)池充電(diàn)和(hé)放電(diàn)。但(dàn)是液體(tǐ)在零下的溫度下開(kāi)始凍結。這種情況嚴重限制(zhì)了在寒冷地區(qū)和(hé)季節為(wèi)電(diàn)動汽車(chē)充電(diàn)的有(yǒu)效性。
為(wèi)了解決這個(gè)問題，來(lái)自美國能源部（DOE）阿貢和(hé)勞倫斯伯克利國家(jiā)實驗室的一組科學家(jiā)開(kāi)發了一種含氟電(diàn)解質，即使在零度以下的溫度下也能很(hěn)好地發揮作(zuò)用。科學家(jiā)們在Advanced Energy Materials的一篇論文中報告了他們的工作(zuò)。
a） 溶劑設計(jì)從碳酸鹽到氟化酯的過渡方案。b） EA、EA-f、f-EA 和(hé) f-EA-f 中羰基的原子電(diàn)荷分析。
（圖片來(lái)源：www.onlinelibrary.wiley.com）
“我們的團隊不僅發現了一種防凍電(diàn)解質，其充電(diàn)性能在-4℉（-20℃）時(shí)不會(huì)下降，而且我們還(hái)在原子水(shuǐ)平上(shàng)發現了使其如此有(yǒu)效的原因，“高(gāo)級化學家(jiā)和(hé)阿貢化學科學與工程部門(mén)的組長華裔科學家(jiā)張正成（Zhengcheng Zhang音(yīn)譯）說。
這種低(dī)溫電(diàn)解質有(yǒu)望用于電(diàn)動汽車(chē)中的電(diàn)池，以及消費電(diàn)子産品（如計(jì)算(suàn)機和(hé)手機）的儲能。
在當今的锂離子電(diàn)池中，電(diàn)解質是廣泛使用的鹽（六氟磷酸锂）和(hé)碳酸酯溶劑（如碳酸乙烯酯）的混合物。溶劑溶解鹽形成液體(tǐ)。
當電(diàn)池充電(diàn)時(shí)，液體(tǐ)電(diàn)解質将锂離子從陰極（含锂氧化物）穿梭到陽極（石墨）。這些(xiē)離子從陰極遷移出來(lái)，然後通(tōng)過電(diàn)解質進入陽極。當通(tōng)過電(diàn)解質運輸時(shí)，它們位于四個(gè)或五個(gè)溶劑分子簇的中心。
在最初的幾次充電(diàn)中，這些(xiē)團簇撞擊陽極表面并形成稱為(wèi)固體(tǐ)電(diàn)解質界面的保護層。一旦形成，該層就像一個(gè)過濾器(qì)。它隻允許锂離子通(tōng)過層，同時(shí)阻斷溶劑分子。通(tōng)過這種方式，陽極能夠将锂原子存儲在帶電(diàn)的石墨結構中。放電(diàn)後電(diàn)化學反應從锂中釋放出電(diàn)子，産生(shēng)可(kě)以為(wèi)車(chē)輛(liàng)提供動力的電(diàn)力。
問題是在低(dī)溫下，含有(yǒu)碳酸鹽溶劑的電(diàn)解質開(kāi)始凍結，導緻它失去了在帶電(diàn)時(shí)将锂離子輸送到陽極的能力。這是因為(wèi)锂離子在溶劑簇中緊密結合，因此與室溫相比這些(xiē)離子需要更高(gāo)的能量來(lái)排出其團簇并穿透界面層。出于這個(gè)原因科學家(jiā)們一直在尋找更好的溶劑。
該團隊研究了幾種含氟溶劑，他們能夠确定在零下溫度下從團簇中釋放锂離子具有(yǒu)最低(dī)能量勢壘的成分。他們還(hái)在原子尺度上(shàng)确定了為(wèi)什麽這種特殊的成分如此有(yǒu)效。這取決于氟原子在每個(gè)溶劑分子中的位置及其數(shù)量。
在實驗室電(diàn)池的測試中，該團隊的氟化電(diàn)解質在零下4華氏度（-20攝氏度）下保持了400次充放電(diàn)循環的穩定儲能容量。即使在如果低(dī)的溫度下，其容量也相當于室溫下使用傳統碳酸鹽基電(diàn)解質的電(diàn)池的容量。
“因此，我們的研究展示了如何定制(zhì)電(diàn)解質溶劑的原子結構以設計(jì)用于零下溫度的新電(diàn)解質”張正成說。
抗低(dī)溫電(diàn)解質具有(yǒu)額外的特性。它比目前使用的碳酸鹽基電(diàn)解質安全得(de)多(duō)，因為(wèi)它不會(huì)着火(huǒ)。
“我們正在為(wèi)我們的低(dī)溫和(hé)更安全的電(diàn)解質申請(qǐng)專利，現在正在尋找一個(gè)工業合作(zuò)夥伴以使其适應他們的锂離子電(diàn)池設計(jì)之一”張正成說。
