中國(guó)的研究人員開發(fā)了一種帶有有機(jī)化合物電極的電池，該電極的工作溫度為-70攝氏度，遠(yuǎn)低于鋰離子電池失去傳導(dǎo)和存儲(chǔ)能量的大部分能力的溫度。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)于2月28日發(fā)表在《焦耳》雜志上，可以幫助工程師開發(fā)適合承受最冷的外層空間或地球上最寒冷地區(qū)的技術(shù)。

盡管電池可以在相對(duì)寒冷的氣候下運(yùn)行，但它們有其局限性。當(dāng)溫度達(dá)到-20攝氏度時(shí)，大多數(shù)電池只能達(dá)到其最佳水平的50%，而在-40攝氏度時(shí)，鋰離子電池僅具有其室溫容量的12%。當(dāng)在太空中操作電池時(shí)溫度可能降至-157攝氏度，甚至在加拿大和俄羅斯的部分地區(qū)溫度可能低于-50攝氏度時(shí)，這可能會(huì)受到嚴(yán)重限制。

但是，一組電池研究人員發(fā)現(xiàn)了一種即使在其他電池可能發(fā)生故障的情況下也可以運(yùn)行的設(shè)計(jì)。“眾所周知，電解質(zhì)(在電極之間傳遞離子的化學(xué)介質(zhì))和電極(帶正電的陰極和帶負(fù)電的陽(yáng)極)都會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生重大影響，”夏永耀博士說(shuō)。中國(guó)上海復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系研究員。

變冷時(shí)，鋰離子電池經(jīng)常使用的基于酯的常規(guī)電解質(zhì)會(huì)變成緩慢的導(dǎo)體，并且在電解質(zhì)和電極界面處發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)難以繼續(xù)進(jìn)行，這意味著鋰離子電池?zé)o法保持在極冷的氣候下太好了。這個(gè)問(wèn)題一直困擾著研究人員。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，使用了一種基于酯(乙酸乙酯)的電解質(zhì)，該電解質(zhì)的凝固點(diǎn)低，即使在極低的溫度下也能進(jìn)行充電。對(duì)于電極，他們使用了兩種有機(jī)化合物-聚三苯胺(PTPAn)陰極和1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTCDA)衍生的聚酰亞胺(PNTCDA)陽(yáng)極。與鋰離子電池中使用的電極不同，這些有機(jī)化合物不依賴于嵌入-將離子連續(xù)整合到其分子基質(zhì)中的過(guò)程，該過(guò)程隨著溫度下降而減慢。

夏說(shuō)：“受益于基于乙酸乙酯的電解質(zhì)和有機(jī)聚合物電極，可再充電電池可以在-70攝氏度的超低溫下很好地工作。”

夏和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，與在極端溫度下增強(qiáng)鋰離子電池功能的其他嘗試相比，這可能是一種更優(yōu)雅的解決方案。其他電池研究人員試圖通過(guò)開發(fā)添加劑來(lái)外部加熱電池或使用液化氣電解質(zhì)來(lái)解決該問(wèn)題，但是這些解決方案需要額外增加重量的其他材料。

夏認(rèn)為電池的成分還具有許多其他生產(chǎn)友好的特性。他說(shuō)：“與常規(guī)鋰離子電池中含過(guò)渡金屬的電極材料相比，有機(jī)材料豐富，便宜且環(huán)保。” 他估計(jì)電極材料的價(jià)格約為鋰離子電池中電極價(jià)格的三分之一。

但是，電池在準(zhǔn)備好離開實(shí)驗(yàn)室之前仍需要進(jìn)行一些調(diào)整。夏先生認(rèn)為，與商業(yè)化的鋰離子電池相比，電池的比能(每單位質(zhì)量的能量)仍然很低，并且組裝過(guò)程需要進(jìn)一步優(yōu)化。“但是，盡管它的比能很低，但它提供的能量最多。在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。”夏說(shuō)。