【科學(xué)網(wǎng)】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(jìn)電，續(xù)航能力還會大打折扣，甚至“凍到關(guān)機(jī)”。
近日，中國科學(xué)院蘇州納米所研究員吳曉東、河海大學(xué)教授許晶晶與中國科學(xué)院物理所研究員李泓等合作，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)出優(yōu)異性能。該研究成果發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》。
該成果也得到了評審高度認(rèn)可，“該工作報(bào)道了一系列具有不同氟代位點(diǎn)的乙酸乙酯基電解液，并將其應(yīng)用于超低溫快充鈉金屬電池中。我認(rèn)為該工作的重要性和創(chuàng)新性達(dá)到該領(lǐng)域的前5%，工作整體評分可達(dá)該領(lǐng)域的前15%?！?/p>
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(jī)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(gòu)造有關(guān)。除了正負(fù)極外，電解液也發(fā)揮著重要作用，就像是電池的“血液”，讓導(dǎo)電離子能順暢地在正負(fù)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(hù)膜，即SEI層（固體電解質(zhì)界面）防止電極與電解液間持續(xù)的副反應(yīng)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(xué)儲能領(lǐng)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(xué)報(bào)》，然而低溫會明顯影響鈉金屬電池的表現(xiàn)，“我們認(rèn)為目前影響鈉金屬電池低溫性能的關(guān)鍵因素還是電解液?！?/p>
簡單來說，鈉金屬電池中，鈉離子通過在正負(fù)極間的遷移來實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)就是交接棒的運(yùn)動員，鈉離子通過溶劑化結(jié)構(gòu)快速傳輸。這場接力賽的終點(diǎn)是電極，鈉離子要擺脫電解液，穿過“守門”的SEI層，才能抵達(dá)鈉電極界面，并均勻地沉積，這對電池的充放電至關(guān)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(xué)緩慢、脫溶勢壘高以及界面穩(wěn)定性差等問題，嚴(yán)重影響了鈉離子的遷移以及電池的低溫性能。”吳曉東告訴記者，如果能找到一種新型電解液，促進(jìn)鈉離子在負(fù)極側(cè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的剝離和沉積，也許能更快速高效地實(shí)現(xiàn)鈉金屬電池的產(chǎn)業(yè)化。
鈉金屬電池新思路
2011年，瞄準(zhǔn)先進(jìn)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(yīng)用中心），專注于先進(jìn)電池關(guān)鍵材料及應(yīng)用研究和開發(fā)。
2018年，吳曉東帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(yīng)用，滿足應(yīng)用場景要求是關(guān)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(diào)控鈉離子溶劑化結(jié)構(gòu)，降低鈉離子的脫溶劑化勢壘，也就是得鍛煉交接棒的運(yùn)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(zhuǎn)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(dǎo)率；最后，要構(gòu)建穩(wěn)定的電極界面，促進(jìn)負(fù)極側(cè)鈉離子的快速沉積。
“我們通過引入具有強(qiáng)電負(fù)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(qiáng)吸電子效應(yīng)，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(yīng)加快。
吳曉東團(tuán)隊(duì)先通過理論計(jì)算分析了溶劑分子的物化性質(zhì)，確定了溶劑化結(jié)構(gòu)，再用X-射線光電子能譜、飛行時間-二次離子質(zhì)譜和電化學(xué)性能等測試手段，詳細(xì)分析了幾種不同位點(diǎn)所進(jìn)行的氟代分子的調(diào)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(shí)現(xiàn)最低的鈉離子結(jié)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(shí)現(xiàn)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(jìn)一步推進(jìn)鈉電池的應(yīng)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?！闭f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(nèi)對鈉金屬電池的認(rèn)識也比較粗淺，吳曉東團(tuán)隊(duì)只能“摸著石頭過河”，先從鋰電池入手，積累經(jīng)驗(yàn)。
“研究之初，我們做的電解液研究主要集中于鋰電池相關(guān)方向，希望從中獲取經(jīng)驗(yàn)。但我們很快發(fā)現(xiàn)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(yīng)性差異、相同溶劑在鋰/鈉電體系中的反應(yīng)環(huán)境差異、電池隔膜選擇等多方面?！眳菚詵|說，為了應(yīng)對這些問題，吳曉東團(tuán)隊(duì)閱讀了大量文獻(xiàn)，并反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這段看似曲折的“彎路”實(shí)際給后續(xù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
“選準(zhǔn)方向，堅(jiān)持不懈。”當(dāng)被問及這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(tuán)隊(duì)（受訪者供圖）
這也是吳曉東帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)身體力行的準(zhǔn)則?！半m然研究取得了一定進(jìn)展，但我認(rèn)為還有不足需要完善?！眳菚詵|告訴記者，“目前我們還未能實(shí)現(xiàn)更大電流密度下的高效長循環(huán)，后續(xù)還將朝著實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的鈉金屬循環(huán)而努力。其次，從應(yīng)用的角度，電池需具備較寬的工作溫度，盡管本研究實(shí)現(xiàn)了超低溫下的有效循環(huán)，但在60°C高溫下的循環(huán)表現(xiàn)尚不理想，還得進(jìn)一步攻關(guān)以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。”
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202414652
附件下載：
