手机再也不怕冻关机了!锂离子电池零下60摄氏度也能高效运行

最新出版的《科学》杂志刊登了电解液化学研究领域的一项重大突破：美国科学家首次使用液化气取代电解液，分别让锂和超级电容器在零下60℃和零下80℃还能保持高效运行。新技术不仅提高了电动汽车在寒冷冬季单次充电的运行里程，还能为高空极冷环境下的无人机、卫星、星际探测器等供应电能。电池

科学界普遍认为，电解质是改进储能装置性能的最大瓶颈。液态电解质已经遭遇研究极限，许多科学家现在将目光聚焦在固态电解质。但加州大学圣地亚戈分校可持续电力和能源中心及能源储存和转换实验室主任孟颖教授带领其团队，反其道而行之，研究气态电解质并取得突破。这些气态电解质能在一定压力下液态化，且更能抗冻。

在新研究中，他们从大量气体候选物中选出两种液化气氟甲烷和二氟甲烷，分别制成锂离子电池和超级电容的电解质，使得锂离子电池的最低工作温度从零下20℃延伸到零下60℃，超级电容的工作温度从零下40℃延伸到零下80℃。而且，回到正常室温后，这些电解质仍能保持高效工作状态。

除了创造低温工作纪录，这些气态电解质还克服了锂离子电池中常见的热失控问题，更具安全优势。热失控是电池中的热量恶性循环，电池工作时温度会升高，启动一系列化学反应，这些反应出现的热量反过来进一步让电池变热，使电池膨胀而毁坏。但气态电解质在高于室温的环境下，会启动一种天然关闭机制，让电池失去导电性停止工作，从而防止电池过热。

最新研究还克服了锂离子电池充放电寿命太短的另一大挑战。因重量轻且能储存更多电荷，锂金属被公认为最终电极材料，但锂会与传统电解液发生反应，在电极表面形成针尖状突起，将电池分隔从而引起短路，造成充放电次数过少。而新电解质不会形成突起，大大延长了电池寿命。以圆柱形电池为例，如上图所示，锂离子电池的重要结构包括壳体，正极，负极，隔膜，电解液，安全阀等安全保护装置以及一些导电密封辅助结构。

壳体，是整只电芯的保护层，对电芯起到支撑、隔离和绝缘等保护性用途。软包电池，没有高强度的壳体，其在小规模成组以后，也要设计具备一定强度的壳。

直接参与电池电化学过程的是正极、负极和电解液，可以说它们是事故的源头，也是真正解决安全问题的病根所在。

2正极、负极和电解液的安全性问题

锂离子电池的安全事故，无论是电芯老化或者自身质量问题带来的自内而外的过热，进而导致热失控，还是由于交通事故或者其他类型的滥用造成的热失控，事故发生总要经历电芯材料剧烈反应的过程，假如能够阻断这个点，则电池可以失效，但永远不会燃爆。

2.1电解液

电解液存在两个方向的问题，自身容易燃烧，又具有与正负极材料发生反应的倾向。

初中化学告诉我们，燃烧的三要素：可燃物（燃烧的物质），助燃物（氧气）和燃点（达到可燃物的燃烧温度）。三个条件缺一不可，阻断其中之一，燃烧便不会发生。电池自身安全性，电池材料不可燃是安全隐患的终结者。

目前常见的电解液都是有机溶剂质地，是极易燃烧的材质。而电解液与正极发生副反应的产物，就包含氧气。因此，电池一旦积聚了较多热量，达到较高温度，连锁反应都会给电解液燃烧供应条件。

问题在于，电解液传输电荷的能力，对电池的电压有直接的影响。当前人们关于高电压，高能量密度的追求，只有有机电解液才能满足，因而暂时没有找到更适合的材质作为替代。

2.2正极材料

正极材料的安全性问题重要存在于两个方面。一个是充电状态下，材料结构的稳定性，另一个是电池高温下，正极材料与电解液的反应腐蚀问题。

正极材料的稳定性问题，重要出现在过大电流充电过程中，与材料不匹配的锂离子脱出速率会冲垮材料晶格结构，毁坏的部分材料反过来堵住离子通路，新增了离子嵌入难度。这个过程中会有热量积累，是引发锂离子电池事故的一种常见原因。

正极被电解液腐蚀，放出少量气体和热量，这是电池使用过程中老化的一个重要原因。但正极与电解液的剧烈反应，一般出现在电池温度已高的阶段，一般超过200℃，是热量爆发式生成的重要力量。反应不但放出大量的热，还会有气体出现，使得事故的危害可能升级。

2.3负极材料

负极材料的安全性，重要围绕其热稳定性进行观察，其稳定程度与下面三个因素有关：电解液中电解质的类型，石墨负极中嵌锂碳含量的多少以及石墨负极使用的粘结剂的种类。

电解质类型，石墨负极在首次充电化成中，形成保护膜SEI膜。SEI膜的存在，阻止了石墨与电解液的进一步剧烈反应。但电解液中的LiPF6对SEI膜的分解有促进用途，使得锂离子电池在大约60℃的储存过程中，就可以出现分解并放热。因此电解质的成分对负极稳定性有直接影响。

嵌锂碳，有研究表明，负极中嵌锂碳的含量高，会带来负极与电解液更激烈的反应。嵌锂碳是在充电过程中形成，电池电量越高，其嵌锂碳的含量也就越高。嵌锂碳的影响，只能在电量高的阶段加强其他安全措施，却无法防止高浓度嵌锂碳的现象出现。