零下50℃也能正常运行，科学家研发固态低温电池，助力新能源汽车推广用于极寒地区

再有几天就要迎来立冬节气，随着冬天的逐渐来到，一些中国北方的新能源车主也开始为电池续航担心。原因在于当温度低于-15℃ 时，锂电池的电化学性能会出现严重退化，无法实现全天候应用。

为助力解决上述问题，华中科技大学教授团队研发一款锂金属准固态低温电池，在-50℃ 的低温之下它依旧可以正常工作，同时兼具高安全性和高能量密度。

图 | （来源：资料图）

伴随这款电池一起面世的，还有一种聚合物基准固体电解质。未来，它们都能被用于动力电池领域，促进新能源汽车在极端寒冷地区的推广应用。

同时，凭借这款电池耐寒、高安全性的特点，让电池组中的热管理系统能得到极大简化，从而提高电池系统的能量密度。

除此之外，这款锂金属准固态电池也能用于极地探险、深海探测等领域，尤其适合作为寒冷地域的户外储能设备。

（来源：Nature Communications）

宽温域锂电池：高寒地区的“新能源福音”

近年来，随着材料与电池结构的优化，锂电池的室温能量密度得到显著提高。考虑到全球气候的多样化，比如高海拔、高纬度地区的冬季温度甚至低至-50℃，因此开发宽温域锂电池就显得尤为重要。

此外，在一些特定场景比如地下勘探、军事场合、救援场合之下，必须使用在极端低温之下也能稳定运行的锂电池。

而目前的锂电池之所以存在低温性能不佳的缺点，主要由于电解质本体中的离子输运、以及电解质/电极界面中的电荷转移动力学不足，导致固体电解质界面（SEI，solid–electrolyte interphase）出现了结构变化。

要想发展低温锂电池，关键在于找到合适的电解质材料。非水性液体电解质存在易燃、易泄露的缺点，导致使用这种电解质制备的电池，会面临严重的安全风险。

当温度低于-10℃ 之时，碳酸酯类电解液的黏度会降低，甚至电解液会出现凝固，致使锂离子电导率出现急剧下降。

而且，当温度降低至-15℃ 以下时，由有机溶剂衍生的、以碳酸锂为主的固体电解质界面层，它的导电性会变差并会呈现出脆性的结晶态。正是这些原因致使锂电池的工作温度通常必须高于-15℃，这让其无法在低温之下长期运行。

对于固体电解质来说，它有望同时解决锂电池安全性差、能量密度低的问题。目前，发展更出色的固体电解质，已经成为下一代电池的重要发展方向。

无机固体电解质，具有较高的离子电导率、以及较好的稳定性。但是，由电解质-电极组成的“固-固界面”，由于阻抗较大以至于无法在低温下运行。

相比之下，聚合物电解质具有优异的力学柔性和界面性能，基于这种电解质来开发宽温域固态电池，是一个更为实际的方案。

此前，学界已经发现通过引入低熔点的有机溶剂，来制备准固体聚合物电解质时，可以很好地提高离子电导率和界面性能，进而能够打造耐低温的高性能锂电池。

基于此，本次研究团队通过引入低熔点的 2,2,2-三氟-N,N-二甲基乙酰胺，原位引发 1,3,5-三噁烷的聚合，借此得到了一种准固体聚合物电解质，其具有较高的离子电导率。

经过一定的界面设计，这种基于聚合物的电解质能在锂电极上形成双层固体电解质界面，并能稳定地基于 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 的正极，改善低温之下界面处的电荷转移，从而将聚合物基固态电池的工作温度降至-50℃。

通过此，研究人员造出了这款准固态锂金属电池，其具备高性能、以及能在低温下运行的特点。

（来源：Nature Communications）

筛选 100 多种潜在添加剂，也曾萌生退意

那么，这款电池具体是怎么造出来的？期间是否遇到一些难题？以下为大家一一讲述。

研究中，课题组先是针对锂离子电池、特别是固态电池的发展现状和应用难点加以了解。

考虑到锂离子电池的应用领域、以及电动汽车推广所面临的难题，他们将研究重心转移到开发一款高比能、高安全性、并能在低温之下工作的固态电池。

随后，针对不同类型固态电池的特征、以及低温运行的可行性，研究团队在分析之后得出如下结论：开发一款聚合物基准固体电解质，并将其用于低温锂金属电池，会具备更强的实用性。

考虑到聚合物基电解质的问题，聚合物基体、锂盐、以及其他添加剂的选择极其关键。事实上在研究之初，他们原本想利用低熔点的添加剂来降低聚合物的结晶度，从而提高电解质的离子电导率。

然而，他们发现添加剂的引入，会降低电解质-电极界面的稳定性和导电性，这就需要重新对添加剂进行选择。

一开始，他们针对 100 多种潜在添加剂进行不断尝试，但是这种办法极为耗时，甚至让人萌生退意。

后来，他们学习了电池材料的高通量筛选技术，该技术可以迅速、准确地确定所需材料，能起到事半功倍的效果。

随后，他们迅速开展材料筛选工作，确定了电化学稳定的聚合物基体。这种聚合物基体是一种锂盐，它具备熔点低、添加剂黏度合适、解离度高、易于成膜的优势。

接着，利用不同材料的能级差别，研究团队定向设计出一种双层的固体电解质界面膜。

这种膜的优势在于：高模量的内层固体电解质界面膜可以抵御枝晶生长，从而让无定形态的外层固体电解质界面膜，能够适应界面处的体积膨胀。正是凭借这一设计，才为本次锂金属准固态低温电池带来了更好的可行性。

同时，凭借所选材料的物理性能和化学性能，锂离子在聚合物电解质的解离速度和传输动力学速率得以加快。此外，他们还对界面组分和结构进行定向调节，让锂离子的界面传输速率得以加快。

确定研究方案的理论可行性之后，接下来就要试验环境。期间，他们先后组装了纽扣电池、软包电池，并在不同温度之下测试电池的电化学性能。

为了更加接近真实电池的情况，他们对电池的 N/P 比和 E/C 比加以严格控制，从而让最终研发的准固态锂金属电池具备实际应用的能力。

日前，相关论文以《定制聚合物电解质离子导电性用于生产低温运行的准全固态锂金属电池》（）为题发在 Nature Communications[1]，李卓、郁睿是第一作者，、中国科学院物理研究所研究员担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

创办固态离子学实验室 11 年之久，主攻三类固体电解质材料

资料显示，创办的校内固态离子学实验室已有 11 年之久。固态电池，是他和团队的主要研究方向。

除了本次这款电池之外，多年来该课题组重点研究了三类固体电解质材料：第一类是氧化物陶瓷（Li7La3Zr2O12(LLZO)、La2/3-xLi3xTiO3(LLTO)），第二类是氧化物-聚合物复合固体电解质，第三类是聚合物固体电解质。另外，他们还设计并合成了两类新型固体电解质材料：LiTaSiO5 以及金属有机框架衍生固体电解质。

其中，聚合物固体电解质能够做到阻燃，随意弯折并能制备成任意形态。进一步地，基于聚合物基固体电解质，他们还组装出一种固态电池，在磷酸铁锂正极的帮助之下，LiFePO4/固体电解质/锂电池的充放电循环达到 2000 次以上，容量保持率高达 88%。

通过使用高镍三元正极，NCM811/固体电解质/锂电池的充放电循环也能达到 500 次以上，电池容量保持率达 81%。利用原位固化技术，课题组所研发的电池制作工艺，也能很好地与现有电池工艺兼容。

以上种种，都是为了研发具有实际应用价值的高性能固态电池。凭借上述成果，研究团队开发了 Ah 级的软包电池，在实际工况条件之下展现出高安全、高稳定的循环性能。

具体来说，课题组研发的固态软包电池可以在-58℃ 的低温之下工作，能够满足寒冷地区的使用需求。在实际工况之下，固态软包电池也能展现出高比能、高倍率、长循环的优势。同时，这款固态软包电池也顺利通过了针刺、机械碰撞、过充等滥用实验，具备极高的安全性。

将研发宽温准固态锂电池

与此同时，基于本次锂金属准固态低温电池，他们计划研发宽温域的准固态锂电池，预计工作温度范围为-50℃ 到 70℃。

为了突破聚合物基固态电池的工作温度壁垒，课题组拟通过材料筛选指导开发弱络合共聚物电解质。

同时，其还将调整 Li+-偶极子作用和 Li+络合结构，促使电解质中可以形成 [聚合物-Li-塑化剂]+弱络合物，从而在聚合物-塑化剂邻近区域，快速形成 Li+导电亚结构，让 Li+的迁移不再依赖聚合物链弛豫。

同时，他们还打算调整锂离子的络合结构，定向设计界面相的组成与结构，借此构筑稳定的电解质-电极界面，从而提高电解质界面的 Li+电导率，希望最终能够开发一款既安全、又实用的宽温域固态电池。

参考资料：

1.Li, Z., Yu, R., Weng, S.et al. Tailoring polymer electrolyte ionic conductivity for production of low- temperature operating quasi-all-solid-state lithium metal batteries. Nat Commun 14, 482 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-35857-x

排版：朵克斯

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