多年來，鋰離子電池的能量密度不斷增加，也使得電動汽車的續航里程更長。但隨著冬季氣溫的升高，續航里程仍舊會面臨直線下降的問題。電池性能的下降也成為了客戶不想購買電動汽車的原因之一。

通過重新設計電池電解質，研究人員現在已經制造出一種在-20°C以下溫度下工作的電池。與研究人員迄今為止研發的其他寒冷天氣電池相比，這種電池的使用壽命超過一年，創下了歷史新高。

如今的電池在0°C到40°C之間的溫度下工作良好。為了更廣泛地部署，開發人員正在努力制造在-40°C到60°C的更寬溫度范圍內工作的電池。北京理工大學的Chong Yan表示：“鋰離子電池在低溫下的高能量密度和長壽命是全氣候電動汽車發展的關鍵。”

大容量電池在寒冷天氣下拖累電動汽車續航里程

如今，為了讓電池在寒冷中工作，制造商增加了外部絕緣和熱量。但這也增加了體積，額外的重量增加也會降低行駛里程。此外，它不適合用于重量敏感應用型的寒冷天氣電池，如高空無人機和衛星。

許多研究人員正試圖通過關注在電池電極之間穿梭鋰離子的電解質來提高電池在低溫下的性能。寒冷的溫度會使這些電解質變厚，因此離子移動速度較慢，導致容量損失和充電緩慢。一些團隊最近使用低溫溶劑制造電解質，或在電解質中測試化學添加劑，以幫助提高其耐寒性。另有研究人員已經配制出了全新的電解質，可以處理各種溫度。

Yan和清華大學的Qiang Zhang及其同事專注于低溫溶劑方法。雖然這種溶劑有助于提升寒冷天氣下的性能，但眾所周知，它們在高溫下會產生氣體，從而縮短電池壽命。“然而，氣體的產生機制和相應的抑制策略仍然未知，”Yan說。

在他們發表在Matter雜志上的論文中，研究人員現在揭示了這種氣體產生背后的機制，并提出了他們設計的一種新的高濃度電解質作為解決這個問題的方法。

他們發現，鋰電鍍——鋰金屬在電池石墨陽極表面的積聚——是產生氣體的罪魁禍首。在冬季的溫度下，由于鋰離子移動緩慢，當它們從電解質進入石墨時，往往會變得擁擠，因此一些鋰金屬最終會堆積在表面。研究人員發現，常用的低溫溶劑乙酸乙酯與這種鍍鋰發生劇烈反應，形成氫氣和乙烷氣體。氣體積聚產生的壓力最終會使電極破裂，使電池失效。

寒冷天氣采用新型電解質

為了對抗這種氣體的產生，研究人員將比平時更多的鋰鹽溶解在由90%乙酸乙酯和10%碳酸氟乙烯酯組成的溶劑中，制成了一種電解質。

然后，研究人員用這種電解質、石墨陽極和NMC811陰極制作了一個電池，NMC811由80%的鎳、10%的鈷和10%的錳制成。NMC811陰極用于當今的高性能鋰離子電池，因為它們具有高能量密度，并且很少使用昂貴的鈷。

Yan說：“我們使用的所有材料都是商用的，擬議的電解質可以合理地大規模生產。”這使得新方法很容易適用于當今常見的電池化學和制造工藝。

研究人員表明，使用乙酸乙酯作為主要溶劑可以使電池在低至-40°C的溫度下工作。與此同時，鋰鹽與氟乙烯碳酸酯反應，在陽極上形成一層固體層，該固體層傳導鋰離子，但也保護任何不可避免地鍍在表面的金屬鋰。保護層防止鍍覆的鋰與乙酸乙酯反應并形成氣體。

在測試中，電池在-40°C時保持了超過四分之三的室溫容量。它們可以充電1400多次，這是一個電池一年內的平均充電次數。

Yan說，盡管如此，仍有一些瓶頸需要克服。與傳統電解質相比，該電解質的成本相對較高，并且電池在低于-50°C的溫度下無法有效工作。因此，該團隊現在計劃“進一步優化鋰鹽的濃度和溶劑的類型，努力降低電解質的成本”，并提高低溫性能。