由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖 2.0》指出，“到 2035 年，中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)基本實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型。新能源汽車將逐漸成為主流產(chǎn)品，市場(chǎng)占比將超過 50%，燃料電池汽車保有量將達(dá)到 100 萬輛左右。”

目前，盡管電動(dòng)汽車的普及率在逐年攀升，但續(xù)航能力差、充電時(shí)間長(zhǎng)、高/低溫下性能衰減快及安全性問題，始終制約著電動(dòng)汽車的進(jìn)一步發(fā)展。

特別是電池的問題，始終是電動(dòng)汽車的“老大難”。目前，市面上主流的鋰離子電池在常規(guī)工作條件下的表現(xiàn)出色，但在極端條件下的性能卻不盡如人意，這主要是由于目前電解液的局限性造成的。

比如，基于碳酸酯的商用電解液在大約 -30℃ 的低溫下就會(huì)凝固，導(dǎo)致電池?zé)o法正常工作 。其電壓窗口只能在 4.3 伏以內(nèi)，并且易燃，極易形成安全隱患。

為了克服上述缺陷，美國(guó)馬里蘭大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系教授、極端電池研究中心主任王春生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。最近，他們提出一種全新的電解液設(shè)計(jì)方法，將鋰離子電池的工作溫區(qū)從（-20℃，+50℃）擴(kuò)展到（-60℃，+60℃）。

值得關(guān)注的是，該研究與工業(yè)界關(guān)聯(lián)密切，在無需改變現(xiàn)有的電池材料和制備流程的前提下，只需要使用該新型電解液就能實(shí)現(xiàn)電池性能在各種極端條件下的全面提升，包括顯著提升電池在極端條件下的耐溫性、能量密度、快充性能、安全性。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature） 2023 年 2 月 9 日，相關(guān)論文以《極端工作條件下鋰離子電池的電解液設(shè)計(jì)》（Electrolyte design for Li-ion batteries under extreme operating conditions）為題發(fā)表在Nature 上[1]。 馬里蘭大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系助理研究員徐吉健為論文的第一作者，王春生教授、美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室奧列格·鮑羅?。∣leg Borodin）博士為該論文的共同通訊作者。 徐吉健表示：“想讓鋰離子電池在極端條件下實(shí)現(xiàn)最佳性能，不僅要拓寬電池的工作溫區(qū)，還應(yīng)兼顧充電效率、電壓窗口和安全性。因此，這次的新研究可以說是電池領(lǐng)域的一次重大突破?！?這種基于軟溶劑的電解液的全新設(shè)計(jì)方法，平衡了鋰離子溶劑的相互作用、鹽的溶解和電解質(zhì)界面層。這使得電池的優(yōu)異能能同時(shí)兼具了寬溫區(qū)充放電能力（±60℃）、更高電壓（≥4.5 伏）、快速充電（≤15 分鐘）、更安全的 NMC811|| 石墨電池。

圖丨電解質(zhì)的物理特性和 MD 計(jì)算結(jié)果（來源：Nature） 在實(shí)驗(yàn)過程中，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，通過合理的電解液設(shè)計(jì)能夠減少電池在低溫條件下的容量衰減。通常來說，電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池的性能隨溫度的降低而下降，在 -10℃ 時(shí)，容量和工作電壓會(huì)顯著地降低。尤其是在 -20℃ 時(shí)，性能的衰退更明顯，在該溫度下其只能保持室溫容量的 30% 左右。 該課題組設(shè)計(jì)的新型電解質(zhì)，使 4.5 伏 NMC811|| 石墨電池在超低溫（-50℃）環(huán)境中，仍可提供 75% 的室溫容量?！凹幢汶姵氐墓ぷ鳒囟冉档偷?-60℃，也能保留超過一半的室溫容量。”徐吉健說。

圖｜電解質(zhì)的設(shè)計(jì)方法（來源：Nature） 那么，這種基于軟溶劑的電解液設(shè)計(jì)方法究竟是如何起作用的呢？ 首先，該方法的核心是篩選具有較低施主數(shù)（小于 10）和高介電常數(shù)（大于 5）的溶劑，從而保證鋰鹽的解離，同時(shí)最大限度地減小鋰離子脫溶劑化能。 其次，研究人員將一種共溶劑成分添加至電解液，由于這種共溶劑具有高還原電位，進(jìn)而在正極和負(fù)極形成相似的富含氟化鋰的界面層，并促進(jìn)正極和負(fù)極上的相似的嵌鋰/脫鋰動(dòng)力學(xué)。 第三，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬，篩選出能夠最大程度減小整體和界面阻抗的軟溶劑和共溶劑分子，從而實(shí)現(xiàn)快速充放電。 最后，通過匹配正極和負(fù)極的熱力學(xué)（容量）和動(dòng)力學(xué)（阻抗），從而讓 NMC811|| 石墨電池可實(shí)現(xiàn)快充和寬溫區(qū)充放電，而不產(chǎn)生鋰沉積。

為驗(yàn)證相關(guān)概念，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果證明，1 MLiTFSI MDFA/MDFSA-TTE 電解液，能夠在極端條件下實(shí)現(xiàn)負(fù)極和正極的容量和阻抗匹配。 面容量逾 2.5 mAh cm2 的 4.5 伏 NMC811|| 石墨全電池在寬溫度范圍內(nèi)（-60 °C 至 +60 °C）能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。并且，軟包電池即便在 -30℃、300 次循環(huán)時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)超過 83% 的電池容量，其平均庫(kù)倫效率在 99.9% 以上。 下一步，課題組將進(jìn)一步設(shè)計(jì)電解液，以減少電荷轉(zhuǎn)移的阻力，而不損害離子傳導(dǎo)性。進(jìn)一步提高電解液的離子電導(dǎo)，從而改善倍率性能，實(shí)現(xiàn)更好的快充性能。 據(jù)悉，這項(xiàng)研究的合作單位包括美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室、羅格斯大學(xué)、新澤西州立大學(xué)、布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。

審核編輯 ：李倩