加州大学圣地亚哥分校的工程师已经开发出锂离子电池，该电池在极冷和酷热的温度下表现良好，同时还能储存大量能量。研究人员通过开发一种电解质来完成这一功能，这种电解质不仅在很宽的温度范围内用途广泛且坚固耐用，而且与高能阳极和阴极兼容。
加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的照片由 David Baillot 提供。该研究的第一作者、加州大学圣地亚哥分校的纳米工程博士后研究员郭瑞蔡准备了一个电池袋电池，用于在低于冰点的温度下进行测试。
7 月 4 日当周发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一篇论文描述了这种耐温电池 。
这种电池可以让寒冷气候下的电动汽车一次充电就能行驶更远；加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院纳米工程教授、该研究的资深作者郑晨说，它们还可以减少对冷却系统的需求，以防止车辆的电池组在炎热气候下过热。
“您需要在环境温度达到三位数且道路变得更热的区域进行高温操作。在电动汽车中，电池组通常位于地板下，靠近这些炎热的道路，”同时也是加州大学圣地亚哥分校 可持续电力和能源中心教员的陈解释道。“此外，电池在运行过程中会因电流通过而升温。如果电池不能承受这种高温预热，它们的性能将迅速下降。”
在测试中，概念验证电池在 -40 和 50°C（-40 和 122°F）下分别保留了 87.5% 和 115.9% 的能量容量。在这些温度下，它们还分别具有 98.2% 和 98.7% 的高库仑效率，这意味着电池在停止工作之前可以进行更多的充电和放电循环。
Chen 和他的同事开发的电池由于采用了电解质，既耐寒又耐热。它由二丁醚与锂盐混合而成的液体溶液制成。二丁基醚的一个特点是其分子与锂离子的结合较弱。换句话说，当电池运行时，电解质分子很容易释放锂离子。研究人员在之前的一项研究中发现，这种微弱的分子相互作用 可以提高电池在零下温度下的性能。此外，二丁醚很容易吸收热量，因为它在高温下保持液态（沸点为 141°C 或 286°F）。
稳定锂硫化学物质
这种电解质的另一个特别之处在于它与锂硫电池兼容，锂硫电池是一种可充电电池，其阳极由锂金属制成，阴极由硫制成。锂硫电池是下一代电池技术的重要组成部分，因为它们承诺更高的能量密度和更低的成本。它们每公斤存储的能量是当今锂离子电池的两倍——这可以使电动汽车的续航里程增加一倍，而不会增加电池组的重量。此外，与传统锂离子电池阴极中使用的钴相比，硫的来源更丰富且问题更少。
但锂硫电池存在问题。阴极和阳极都具有超强反应性。硫正极非常活泼，以至于它们在电池运行期间会溶解。这个问题在高温下会变得更糟。锂金属阳极容易形成称为枝晶的针状结构，可以刺穿电池的某些部分，导致电池短路。结果，锂硫电池只能持续数十次循环。
“如果你想要一个能量密度高的电池，你通常需要使用非常苛刻、复杂的化学物质，”陈说。“高能量意味着更多的反应正在发生，这意味着稳定性更低，降解更多。制造稳定的高能电池本身就是一项艰巨的任务——试图在很宽的温度范围内做到这一点更具挑战性。”
加州大学圣地亚哥分校团队开发的二丁基醚电解质可以防止这些问题，即使在高温和低温下也是如此。他们测试的电池比典型的锂硫电池具有更长的循环寿命。“我们的电解质有助于改善阴极侧和阳极侧，同时提供高导电性和界面稳定性，”陈说。
该团队还通过将硫阴极接枝到聚合物上来设计更稳定的硫阴极。这可以防止更多的硫溶解到电解液中。
下一步包括扩大电池化学成分、优化电池以使其在更高的温度下工作以及进一步延长循环寿命。
论文：“耐温锂硫电池的溶剂选择标准。” 合著者包括加州大学圣地亚哥分校的 Guorui Cai、John Holoubek、Mingqian Li、Hongpeng Gao、Yijie Yin、Sicen Yu、Haodong Liu、Tod A. Pascal 和 Ping Liu。
这项工作得到了美国宇航局空间技术研究资助计划 (ECF 80NSSC18K1512)、国家科学基金会通过加州大学圣地亚哥分校材料研究科学与工程中心 (MRSEC, 授予 DMR-2011924) 和办公室的早期职业教师资助的支持。美国能源部车辆技术通过先进电池材料研究计划（Battery500 Consortium，合同 DE-EE0007764）。这项工作部分在加州大学圣地亚哥分校的圣地亚哥纳米技术基础设施 (SDNI) 进行，该基础设施是国家纳米技术协调基础设施的成员，由国家科学基金会 (授予 ECCS-1542148) 支持。
由加州大学圣地亚哥分校提供。
