大冬天在北方寒風(fēng)凜冽的室外用手機(jī)，上一分鐘還有幾格電，下一分鐘就直接關(guān)機(jī)……這場景熟悉不熟悉？手機(jī)在低溫下罷工的原因絕大部分還是在電池上。鋰離子電池工作時(shí)，鋰離子（Li+）會在正極和負(fù)極之間移動，所謂“搖椅式”鋰離子電池嵌鋰脫鋰機(jī)理，而低溫下Li+ 活性降低，從而影響電池正常工作。簡單的說，原本電池是有電的，但溫度太低讓Li+ “凍成狗”，Li+ 跑不動了電池的可用電量也就下降了。這種情況下把手機(jī)在懷里焐一會兒，然后再用，或許能救一時(shí)之急。手機(jī)個(gè)頭小好說，像是電動汽車這類大家伙，萬一在低溫下罷工了，又該怎么辦呢？
鋰離子“跑步”機(jī)理。圖片來自網(wǎng)絡(luò)
近日，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）的Y. Shirley Meng教授課題組在Science 上發(fā)表文章，報(bào)道了一種全新的“液化氣”電解質(zhì)策略，可以大幅改善鋰離子電池和超級電容器這些電化學(xué)儲能器件在低溫下的性能。其中，鋰離子電池的工作溫度拓展到零下60攝氏度且不影響室溫性能，而超級電容器的工作溫度范圍則拓展到零下80攝氏度至零上65攝氏度。
Meng教授團(tuán)隊(duì)所用的“液化氣”并不是通常做飯用的液化石油氣，她們將二氟甲烷、氟甲烷等常溫常壓下的氣體物質(zhì)液化之后用做電解質(zhì)的溶劑系統(tǒng)。通常認(rèn)為，常溫常壓下的氣態(tài)物質(zhì)通常是非極性的，分子間作用力很低，這阻止了它們在室溫下液化，甚至在冷卻、加壓后液態(tài)下溶解鹽的能力。而極性氣體如二氟甲烷在低溫或中等壓力下，就可以液化，并且對鋰鹽表現(xiàn)出良好的溶解性，以此類液化氣體為溶劑的電解質(zhì)比標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)更耐低溫。
研究者首先要證明這些液化氣體適合做電解質(zhì)溶劑。作者篩選了6種液化氣體：氟甲烷（FM）、二氟甲烷（DFM）、氟乙烷（FE）、1,1-二氟乙烷（1,1-DFE）、1,1,1,2-四氟乙烷（1,1,1,2-TFE）、2-氟丙烷（2-FP）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氟甲烷（FM）和二氟甲烷（DFM）相比常規(guī)電解質(zhì)溶劑四氫呋喃（THF）和碳酸乙烯酯（EC）有更好的化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，由于它們的粘度非常低，在這些溶劑中離子遷移率會相當(dāng)高。“低粘度意味著較高的離子遷移率，這意味著電池或電容器具有高導(dǎo)電性，即使是在極端寒冷的環(huán)境下。”Rustomji說。此外，這些溶劑很容易達(dá)到超臨界點(diǎn)，超臨界相的零表面張力為其提供了優(yōu)異的潤濕性，更容易進(jìn)入材料的納米孔道。
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