可充电电池在-70°C仍然可以工作，是什么原理？

近日，有研究显示，最新推出的一款可充电电池即使在-70°C的温度下也可以充电。众所周知，在这种极端低温条件下，当今许多手机，电动汽车和其他设备供电的典型锂离子电池不起作用。承受这种寒冷条件的电池可以帮助建造在地球上一些最寒冷的地方或在其他行星周围巡航的太空漫游车上发挥作用的电子设备。

在这种冷条件下使传统的锂离子电池效率降低。在-40°C时，这些电池可在室温下提供约12％的电量，在-70°C，它们根本不起作用。含有一种特殊的电解质，能够使离子甚至在严寒电极之间容易流动。研究人员还为他们的电池安装了由有机化合物制成的电极，而不是典型的富含过渡金属的材料。离子可以放在这种有机材料中，而不必剥离粘在它们上面的电解质材料。因此，即使在低温下，这些有机电极也比普通电池中的电极更容易捕获和释放离子，本项研究合作者，来自上海复旦大学电池研究员XiaoliDong说。

在锂离子电池内部，离子在正极和负极之间流动，离子嵌入其中，然后被释放以通过称为电解质的物质返回到另一端。随着温度下降，离子缓慢地通过电解质移动。冷却还使离子更难以脱离电解质材料，当电池材料穿过电解质材料时会浮现在它们上面。离子必须脱离物质以适应电极材料。

由于离子流动性更好，并且在较低温度下更容易与电极连接，因此即使在-70°C，电池也能保持约70％的室温充电容量。加州大学圣地亚哥分校的材料科学家ShirleyMeng表示，新设计中的电池单元每克能耗比标准锂离子电池更少，她想知道是否可以制造能量更密集的电池版本。

低温操作是可充电电池面临的巨大挑战，并且通常认为离子导电性不足和电解质冻结是导致该问题的主要原因。在此，首先使用在-70℃的超低温下具有0.2mScm-1的足够离子电导率的乙酸乙酯基电解质来制造基于插层化合物的锂离子电池（LIB）和有机电极。基于可充电电池，分别阐明其低温行为。结果表明，由于锂离子的去溶剂化缓慢，LIB不能在-70℃下工作。然而，使用有机电极的可充电电池在如此低的温度下可以很好地工作并且在室温下保持约70％的容量，这是由于在表面基团或有机固体的大间隙空间中电荷储存的快速动力学。这些结果表明了开发低温电池的新方法。

总之，已经研究了基于EA的电解质的低温性能，导致在-70℃的超低温下具有0.2mScm-1的足够的离子电导率。基于这种电解质，已经制造了分别基于插层化合物和有机聚合物作为电极的可充电电池。已经证明，这些基于嵌入化合物的LIB的低温行为仍然受到Li+的缓慢去溶剂化的限制。在电解质和电极之间的界面处，虽然在低温（-70℃）下具有足够的电解质离子导电性并且在电极上没有形成固体电解质界面。还发现使用相同的基于EA的电解质的基于聚合物的可再充电电池没有遭受上述困难。因此，即使在-70℃的超低温下，聚合物基可再充电电池也可以很好地工作。这些结果可能会阐明可在超低温下运行的可充电电池的设计。同时，为了在这些温度下进一步开发具有高性能的可充电电池，在未来的研究中还需要在超低温下通过原位分析来阐明去溶剂化/溶剂化过程。