许多电动汽车车主担心他们的电池在非常寒冷的天气下的效率如何。现在，一种新的电池化学可能已经解决了这个问题。

　　目前的锂离子电池，主要问题出在液态电解质上。这个关键的电池组件在电池的两个电极之间传输称为离子的带电粒子，从而导致电池充电和放电。但是液体在低于零的温度下开始结冰。这种情况严重限制了在寒冷地区和季节为电动汽车充电的有效性。

　　为了解决这个问题，来自美国能源部 (DOE) 阿贡和劳伦斯伯克利国家实验室的一组科学家开发了一种含氟电解质，即使在零度以下的温度下也能表现良好。

　　该研究出现在Advanced Energy Materials中。

　　“我们的团队不仅发现了一种防冻电解质，其充电性能在零下 4 华氏度时不会下降，而且我们还在原子水平上发现了它如此有效的原因，”高级化学家和团队的 Zhengcheng “John” Zhang 说。阿贡大学化学科学与工程部门的负责人。

　　这种低温电解质有望用于电动汽车的电池，以及用于电网和消费电子产品(如计算机和电话)的储能。

　　在当今的锂离子电池中，电解质是广泛使用的盐(六氟磷酸锂)和碳酸亚乙酯等碳酸盐溶剂的混合物。溶剂溶解盐形成液体。

　　当电池充电时，液体电解质将锂离子从阴极(含锂氧化物)输送到阳极(石墨)。这些离子迁移出阴极，然后通过电解质进入阳极。在通过电解质传输时，它们位于四五个溶剂分子簇的中心。

　　a) 从碳酸酯到氟化酯的溶剂设计过渡方案。b) EA、EA-f、f-EA 和 f-EA-f 中羰基的原子电荷分析。图片来源：先进能源材料(2023)。DOI: 10.1002/aenm.202204182

　　在最初的几次充电期间，这些团簇撞击阳极表面并形成称为固体电解质界面的保护层。一旦形成，该层就像一个过滤器。它只允许锂离子穿过该层，同时阻挡溶剂分子。通过这种方式，阳极能够在充电时将锂原子存储在石墨结构中。放电时，电化学反应会从锂中释放电子，从而产生可为车辆提供动力的电力。

　　问题是在寒冷的温度下，含有碳酸盐溶剂的电解质开始冻结。结果，它失去了将锂离子传输到充电阳极的能力。这是因为锂离子非常紧密地束缚在溶剂簇中。因此，与室温相比，这些离子需要更高的能量来疏散它们的团簇并穿透界面层。出于这个原因，科学家们一直在寻找更好的溶剂。

　　该团队研究了几种含氟溶剂。他们能够确定在低于零的温度下从簇中释放锂离子的能量势垒最低的成分。他们还在原子尺度上确定了为什么这种特定的成分效果如此之好。这取决于氟原子在每个溶剂分子中的位置及其数量。

　　在对实验室电池进行测试时，该团队的氟化电解质在 -4 F 下保持了 400 次充放电循环的稳定储能能力。即使在低于零的温度下，该容量也与使用传统碳酸盐基电解质的电池相当在室温下。

　　“因此，我们的研究展示了如何调整电解质溶剂的原子结构，以设计用于零度以下温度的新电解质，”张说。

　　防冻液电解液有一个额外的特性。它比目前使用的基于碳酸盐的电解质更安全，因为它不会着火。

　　“我们正在为我们的低温和更安全的电解质申请专利，现在正在寻找一个工业合作伙伴，以使其适应他们的锂离子电池设计之一，”张说。

　　除了 John Zhang，Argonne 的作者还有 Dong-Joo Yoo、Qian Liu 和 Minkyu Kim。伯克利实验室的作者是 Orion Cohen 和 Kristin Persson。