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yexuqing木蟲之王 (文學泰斗)
太陽系系主任
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電池也“怕冷”？他們破解鈉金屬電池的“低溫焦慮”
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電池也“怕冷”？他們破解鈉金屬電池的“低溫焦慮” 寒潮將至，你有沒有這樣的煩惱：氣溫降低，很多電池不光充不進電，續(xù)航能力還會大打折扣，甚至“凍到關機”。 近日，中國科學院蘇州納米所研究員吳曉東、河海大學教授許晶晶與中國科學院物理所研究員李泓等合作，發(fā)現在低溫和快速充電條件下，一種新型電解液能讓鈉金屬電池展現出優(yōu)異性能。該研究成果發(fā)表于《先進功能材料》。 該成果也得到了評審高度認可，“該工作報道了一系列具有不同氟代位點的乙酸乙酯基電解液，并將其應用于超低溫快充鈉金屬電池中。我認為該工作的重要性和創(chuàng)新性達到該領域的前5%，工作整體評分可達該領域的前15%�！� 電池也想“冬眠” 一到冬天，不少人都會覺得，好好的電池怎么不禁用了？不管是手機還是電動汽車，充電慢、掉電快，成了普遍的問題。 原來，這和電池的構造有關。除了正負極外，電解液也發(fā)揮著重要作用，就像是電池的“血液”，讓導電離子能順暢地在正負極之間往返穿梭，存儲或釋放電能。同時，在電池充放電過程中，電解液還能在電極表面分解并形成一層保護膜，即SEI層（固體電解質界面）防止電極與電解液間持續(xù)的副反應發(fā)生，從而延長電池壽命。 “目前，鈉金屬電池由于原料豐富、成本低廉、能量密度高，成為電化學儲能領域代替鋰電池的理想選擇之一�！闭撐耐ㄓ嵶髡邊菚詵|告訴《中國科學報》，然而低溫會明顯影響鈉金屬電池的表現，“我們認為目前影響鈉金屬電池低溫性能的關鍵因素還是電解液�！� 簡單來說，鈉金屬電池中，鈉離子通過在正負極間的遷移來實現電能的存儲和釋放，其在電解液中的傳輸就像一場接力賽：如果把鈉離子看做接力棒，電解液中溶劑分子間相互作用形成的溶劑化結構就是交接棒的運動員，鈉離子通過溶劑化結構快速傳輸。這場接力賽的終點是電極，鈉離子要擺脫電解液，穿過“守門”的SEI層，才能抵達鈉電極界面，并均勻地沉積，這對電池的充放電至關重要。 “目前常用的商業(yè)電解液大多為碳酸酯基電解液，這些電解液存在低溫易凝固、離子傳輸動力學緩慢、脫溶勢壘高以及界面穩(wěn)定性差等問題，嚴重影響了鈉離子的遷移以及電池的低溫性能�！眳菚詵|告訴記者，如果能找到一種新型電解液，促進鈉離子在負極側實現穩(wěn)定的剝離和沉積，也許能更快速高效地實現鈉金屬電池的產業(yè)化。 鈉金屬電池新思路 2011年，瞄準先進電池的廣闊前景，蘇州納米所組建了儲能材料與器件課題組（鋰電工程應用中心），專注于先進電池關鍵材料及應用研究和開發(fā)。 2018年，吳曉東帶領團隊開始了“鋰鈉金屬電池新型電解液”的研究�！耙粋�新電池體系要想被應用，滿足應用場景要求是關鍵�！痹趨菚詵|看來，金屬電池的低溫性能一直未得到足夠重視，他們決定分“三步走”，嘗試解決這一問題。 首先要調控鈉離子溶劑化結構，降低鈉離子的脫溶劑化勢壘，也就是得鍛煉交接棒的運動員，更快速地傳遞鈉離子的“接力棒”，讓其高效地從溶劑化狀態(tài)轉變?yōu)樽杂蔂顟B(tài)；其次，還得保證電解液在低溫下?lián)碛凶銐虻柠}溶解度，保持良好的電導率；最后，要構建穩(wěn)定的電極界面，促進負極側鈉離子的快速沉積。 “我們通過引入具有強電負性的氟原子來改善電池低溫性能�！眳菚詵|告訴記者，氟原子具有強吸電子效應，會降低電解液溶劑分子周圍的電子云密度，削弱氟代后的溶劑分子與鈉離子之間的相互作用，從而降低鈉離子從溶劑分子中脫離的難度，其在電極表面的沉積速度會相應加快。 吳曉東團隊先通過理論計算分析了溶劑分子的物化性質，確定了溶劑化結構，再用X-射線光電子能譜、飛行時間-二次離子質譜和電化學性能等測試手段，詳細分析了幾種不同位點所進行的氟代分子的調控行為，最終找到了一種新型電解液——2，2-二氟乙酸乙酯（DFEA），能實現最低的鈉離子結合能。 “使用該電解液組裝的鈉金屬對稱電池在低溫-20°C下實現了超1500h的穩(wěn)定循環(huán)，同時全電池可以在-40°C下穩(wěn)定循環(huán)150圈，具有良好的低溫性能�！眳菚詵|解釋道，“我們的工作為進一步推進鈉電池的應用提供了新思路。” 走出“彎曲的直線” “我們在前期的研究中走了許多彎路。”說起研究中的波瀾，吳曉東無奈地笑了笑，幸好的是，這些彎路都不算白走。 由于鈉金屬電池是個很新的方向，業(yè)內對鈉金屬電池的認識也比較粗淺，吳曉東團隊只能“摸著石頭過河”，先從鋰電池入手，積累經驗。 “研究之初，我們做的電解液研究主要集中于鋰電池相關方向，希望從中獲取經驗。但我們很快發(fā)現二者之間存在著很多差異，包括鈉鹽與鋰鹽的溶解度、不同金屬的反應性差異、相同溶劑在鋰/鈉電體系中的反應環(huán)境差異、電池隔膜選擇等多方面�！眳菚詵|說，為了應對這些問題，吳曉東團隊閱讀了大量文獻，并反復進行實驗驗證，這段看似曲折的“彎路”實際給后續(xù)打下了堅實的基礎。 “選準方向，堅持不懈�！碑敱粏柤斑@段科研的心路歷程時，吳曉東沒有猶豫，簡潔明了地概括成八個字。 吳曉東（左四）及團隊（受訪者供圖） 這也是吳曉東帶領團隊身體力行的準則�！半m然研究取得了一定進展，但我認為還有不足需要完善�！眳菚詵|告訴記者，“目前我們還未能實現更大電流密度下的高效長循環(huán)，后續(xù)還將朝著實現更穩(wěn)定的鈉金屬循環(huán)而努力。其次，從應用的角度，電池需具備較寬的工作溫度，盡管本研究實現了超低溫下的有效循環(huán)，但在60°C高溫下的循環(huán)表現尚不理想，還得進一步攻關以滿足實際應用的需求�！� 相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202414652 |
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