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來(lái)源：中國科學(xué)院 發(fā)展極端低溫電池對于寒冷氣候下人類(lèi)活動(dòng)以及極寒條件下太空探索和深海研究具有重要意義。然而，低溫下的電解液尤其是水系電解液存在易凍結的問(wèn)題，阻礙了電池在低溫下應用。H2O-solute相圖存在三類(lèi)典型的溫度參數——冰點(diǎn)（Tf）、共晶溫度（Te）、玻璃化轉變溫度（Tg）。傳統的低溫防凍電解液設計策略一般聚焦于調控電解液的Tf，但Tf無(wú)法準確反映出電解液的防凍低溫極限，僅通過(guò)調控Tf來(lái)設計防凍電解液，限制了高性能極端低溫電池的開(kāi)發(fā)。 近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員胡勇勝和副研究員陸雅翔，聯(lián)合中國科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員趙君梅、香港中文大學(xué)教授盧怡君，基于對H2O-solute相圖的深入研究以及大量差示掃描量熱數據的歸納總結，提出了極端低溫電解液的新型設計策略，實(shí)現了性能優(yōu)異的極低溫水系鈉離子電池。這一電池的能量密度可達80Wh/kg，循環(huán)壽命可達5000周，運行溫區為-85℃至25℃。 該團隊基于對H2O-solute相圖的研究發(fā)現，Te決定電解液的熱力學(xué)防凍低溫極限，而Tg則決定電解液的動(dòng)力學(xué)防凍低溫極限，且只有在強過(guò)冷能力電解液體系中才能夠在Te和Tg之間保持足夠長(cháng)時(shí)間的過(guò)冷液態(tài)。因此，該研究提出了設計低Te和強過(guò)冷能力的防凍電解液是實(shí)現極端低溫電池的重要路徑。進(jìn)一步，基于對大量H2O-salt和H2O-solvent體系差示掃描量熱數據的總結歸納以及多溶質(zhì)體系比單溶質(zhì)體系具有更低Te的共識，該團隊提出了設計極端低溫水系電解液的通用策略，也就是低Te和強過(guò)冷能力的防凍電解液可以通過(guò)引入具有高陽(yáng)離子勢的鹽或者高溶劑給體數的共溶劑構建多溶質(zhì)體系來(lái)實(shí)現。該策略是基于相圖的普適性特點(diǎn)而提出的，因此預期在未來(lái)可應用于極端低溫非水系電解液的設計。 以鈉離子電池的低溫水系電解液設計為例，該研究通過(guò)引入高陽(yáng)離子勢的鹽和高溶劑給體數溶劑，設計了一系列鈉基的極端低溫防凍電解液并實(shí)現了極低的Te和Tg�；诜纼鲭娊庖�，組裝的NaFeMnHCF/H50EG50-2m NaCF3SO3/NaTi2(PO4)3電池室溫下能量密度80Wh/kg，8C倍率下循環(huán)5000周后容量保持率為70%，可以在-60℃至25℃之間正常工作，并在-70℃下點(diǎn)亮LED燈。組裝的NaFeMnHCF/1m NaClO4+4m Ca(ClO4)2/PTCDI電池室溫下能量密度65.7 Wh/kg，4C倍率下循環(huán)250周循環(huán)容量保持91.1%，且所組裝的10mAh軟包電池能夠在-85℃至25℃之間正常工作。 上述研究對極端低溫電解液的設計工作具有指導作用。相關(guān)研究成果以Rational design of anti-freezing electrolytes for extremely low-temperature aqueous batteries為題，發(fā)表在《自然-能源》（Nature Energy）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、中國科學(xué)院、香港研究資助局以及北京市、江蘇省等的支持。 |
