張正成博士是儲(chǔ)能領(lǐng)域的頂尖科學(xué)家，擁有 20 多年的經(jīng)驗(yàn)。他領(lǐng)導(dǎo)美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室在下一代鋰離子電池及其他領(lǐng)域的有機(jī)能源材料創(chuàng)新研究。張博士于2000年在北京獲得中國科學(xué)院化學(xué)研究所高分子化學(xué)博士學(xué)位，并于2000年至2005年在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校繼續(xù)從事博士后和助理科學(xué)家的研究。他曾在 QuallionLLC擔(dān)任高級(jí)電池工程師，然后于 2007 年調(diào)到阿貢國家實(shí)驗(yàn)室。）

美國的科學(xué)家們近日開發(fā)出了一種新型且更安全的電解質(zhì)，這種電解質(zhì)使鋰離子電池在零度以下的環(huán)境中能夠與室溫環(huán)境下一樣順暢工作。這一突破可能解決了電動(dòng)汽車（EV）在極冷天氣下可能面臨的電池性能下降問題。

當(dāng)前的鋰離子電池存在一大難題，那就是液態(tài)電解質(zhì)。作為電池的核心部分，液態(tài)電解質(zhì)在電池的兩個(gè)電極之間傳輸帶電荷的粒子（離子），實(shí)現(xiàn)電池的充電和放電。然而，當(dāng)溫度低于零度時(shí)，液態(tài)電解質(zhì)會(huì)開始凍結(jié)，這嚴(yán)重限制了電動(dòng)汽車在寒冷地區(qū)和季節(jié)的充電效率。

為了解決這個(gè)問題，美國能源部（DOE）阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種能在低溫環(huán)境下良好運(yùn)行的含氟電解質(zhì)。阿貢國家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者John Zhang表示：“我們的團(tuán)隊(duì)不僅發(fā)現(xiàn)了一種防凍電解質(zhì)，其充電性能在零下四華氏度（約-20℃）下依然保持不變，我們還在原子水平上揭示了其如此高效的原因?！?/p>

這種新型電解質(zhì)有望應(yīng)用于電動(dòng)汽車電池，以及電網(wǎng)和消費(fèi)電子產(chǎn)品的儲(chǔ)能領(lǐng)域。

在現(xiàn)有的鋰離子電池中，電解質(zhì)是由六氟磷酸鋰和碳酸酯溶劑（例如碳酸乙酯）混合而成。這種溶劑可以溶解鹽形成液體，當(dāng)電池充電時(shí)，液態(tài)電解質(zhì)會(huì)將鋰離子從陰極運(yùn)輸?shù)疥枠O。這些離子會(huì)從陰極移動(dòng)出來，然后穿過電解質(zhì)進(jìn)入陽極。在穿越電解質(zhì)的過程中，它們會(huì)位于由四到五個(gè)溶劑分子形成的簇的中心。

在電池的初始幾次充電過程中，這些分子簇會(huì)撞擊陽極表面，并形成一個(gè)叫做固態(tài)電解質(zhì)界面的保護(hù)層。一旦形成，這層保護(hù)層就像一個(gè)過濾器，它只允許鋰離子穿越，而阻擋了溶劑分子。因此，陽極在充電過程中能夠?qū)囋觾?chǔ)存在石墨結(jié)構(gòu)中。在放電過程中，電化學(xué)反應(yīng)會(huì)從鋰中釋放電子，產(chǎn)生的電力為車輛提供動(dòng)力。

然而，問題在于在低溫環(huán)境中，含碳酸酯溶劑的電解質(zhì)會(huì)開始凍結(jié)，導(dǎo)致其無法將鋰離子在充電過程中傳輸?shù)疥枠O。這是因?yàn)殇囯x子在溶劑簇內(nèi)部緊密結(jié)合，因此，這些離子需要比在室溫下更高的能量才能分散這些簇并穿透界面層。因此，科學(xué)家們一直在尋找更好的溶劑。

研究小組研究了多種含氟溶劑，他們發(fā)現(xiàn)了一種在零度以下環(huán)境中從分子簇中釋放鋰離子能量最低的成分。他們還在原子級(jí)別上確定了為什么這種特定的組合物效果如此之好：這取決于每個(gè)溶劑分子內(nèi)氟原子的位置和數(shù)量。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種氟化電解質(zhì)在零下四華氏度（約-20℃）環(huán)境下進(jìn)行了400次充放電循環(huán)后，其儲(chǔ)能能力依然保持穩(wěn)定。即使在零度以下的環(huán)境中，其容量也與在室溫下使用傳統(tǒng)碳酸鹽電解質(zhì)的電池的容量相當(dāng)。

Zhang表示：“因此，我們的研究展示了如何通過調(diào)整電解質(zhì)溶劑的原子結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出適用于零度以下環(huán)境的新電解質(zhì)。”

這種防凍電解質(zhì)還有一個(gè)額外的特性：它不會(huì)起火。

Zhang說：“我們正在為我們的低溫且更安全的電解質(zhì)申請(qǐng)專利，并正在尋找工業(yè)合作伙伴，以使其適應(yīng)他們的鋰離子電池設(shè)計(jì)之一?！?/p>

以下是對(duì)美國媒體《techbriefs》對(duì)John Zhang的采訪。

問：是什么啟發(fā)了您的研究？

Zhang：我們認(rèn)識(shí)到低溫是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在地球的一些地區(qū)，低溫情況非常嚴(yán)重，因此在這種情況下，電池會(huì)遭受到巨大的容量下降和功率下降。這就是我們要面對(duì)的挑戰(zhàn)。我們收到了一份針對(duì)該領(lǐng)域的研究征集提案，因此，這就是我們研發(fā)低溫電解質(zhì)的原因。

問：您能簡單地解釋一下該技術(shù)的工作原理嗎？

Zhang：在零下四華氏度（約-20℃）的環(huán)境下，電池會(huì)發(fā)生什么？您首先想到的是液體電解質(zhì)，它會(huì)被凍結(jié)。一旦凍結(jié)，液態(tài)離子將無法移動(dòng)，或者移動(dòng)得非常慢。鋰離子的傳輸阻力非常高，而傳輸鋰離子是支持電化學(xué)反應(yīng)的基本步驟。

因此，在室溫下，電解質(zhì)處于液態(tài)，鋰離子可以非?？焖俚剞D(zhuǎn)移。但一旦溫度降至零度以下，這個(gè)過程就會(huì)顯著減少。我們稱之為超電勢(shì)。例如，如果充電至4.2伏，那么可以得到滿電量。但在低溫下，充電50%就能達(dá)到4.2伏，實(shí)際的電量只有一半。這就是我們要解決的問題。我們發(fā)現(xiàn)酯基溶劑的熔點(diǎn)非常低，這意味著在極低的溫度下，它們?nèi)匀槐３忠簯B(tài)而不會(huì)凍結(jié)。

然而，我們不能直接使用市售的酯，因?yàn)樗鼈儗?duì)石墨烯具有非常高的反應(yīng)性，因此它們無法形成非常好的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）。這是一層分解的電解質(zhì)產(chǎn)物覆蓋在石墨烯表面，讓鋰穿過SEI，到達(dá)石墨烯一側(cè)，進(jìn)行正常的充電和放電。為了解決這個(gè)問題，我們?cè)邗ト軇┲幸肓朔Ｎ覀儼l(fā)現(xiàn)，一種特定的氟化酯溶劑最適合低溫應(yīng)用。

這種溶劑具有極低的熔點(diǎn)，并且可以溶解鋰鹽，而鋰鹽具有非常高的電導(dǎo)率。因此，這可以實(shí)現(xiàn)低溫性能。

這是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，但后來我們意識(shí)到單純的液體酯還不夠好。因此，我們必須開發(fā)定制的添加劑來與液體酯結(jié)合。我們制定了所謂的聯(lián)合添加劑策略。只有兩種添加劑。它在低溫下表現(xiàn)非常好。我們沒有遇到容量下降、停電或低溫的問題。我們還發(fā)現(xiàn)這種電解液不會(huì)起火。所以，它是非常安全和合適的。

問：您說過該團(tuán)隊(duì)正在為電解質(zhì)申請(qǐng)專利，并且現(xiàn)在正在尋找工業(yè)合作伙伴以使其適應(yīng)他們的鋰離子電池設(shè)計(jì)之一。進(jìn)展如何？

Zhang：文件已經(jīng)由律師正式備案，并已向?qū)＠痔峤弧?/p>

問：除了專利和尋找合作伙伴之外，您的下一步計(jì)劃是什么？您還有進(jìn)一步的研究或工作計(jì)劃嗎？

Zhang：我們還有一些工作要做，特別是在低溫方面，我們也在嘗試看看這個(gè)系統(tǒng)有沒有什么可以進(jìn)一步改進(jìn)的地方。因此，針對(duì)低溫應(yīng)用的研究正在進(jìn)行中，我們幾乎全力以赴地探索一些全新的想法。