科學家提出鈉離子電池極端低溫電解液設計策略
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】隨著科技的不斷發(fā)展，人類對極端環(huán)境的探索研究也在一步步推進，，如極地探險、太空探索等。如何保證極端環(huán)境下科研儀器的正常運行，是保障研究工作的重要環(huán)節(jié)。低溫電池能夠在較低的溫度下正常工作，如普通民用電池在-20℃下無法使用，而低溫鋰離子電池在-50℃下仍可正常使用。發(fā)展極端低溫電池對于寒冷氣候下人類活動以及極寒條件下太空探索和深海研究具有重要意義。
然而，低溫下的電解液尤其是水系電解液存在易凍結(jié)的問題，阻礙了電池在低溫下應用。H2O-solute相圖存在三類典型的溫度參數(shù)——冰點(Tf)、共晶溫度(Te)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。傳統(tǒng)的低溫防凍電解液設計策略一般聚焦于調(diào)控電解液的Tf，但Tf無法準確反映出電解液的防凍低溫極限，僅通過調(diào)控Tf來設計防凍電解液，限制了高性能極端低溫電池的開發(fā)。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員胡勇勝和副研究員陸雅翔，聯(lián)合中國科學院過程工程研究所研究員趙君梅、香港中文大學教授盧怡君，基于對H2O-solute相圖的深入研究以及大量差示掃描量熱數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)，提出了極端低溫電解液的新型設計策略，實現(xiàn)了性能優(yōu)異的極低溫水系鈉離子電池。這一電池的能量密度可達80Wh/kg，循環(huán)壽命可達5000周，運行溫區(qū)為-85℃至25℃。
該團隊基于對H2O-solute相圖的研究發(fā)現(xiàn)，Te決定電解液的熱力學防凍低溫極限，而Tg則決定電解液的動力學防凍低溫極限，且只有在強過冷能力電解液體系中才能夠在Te和Tg之間保持足夠長時間的過冷液態(tài)。因此，該研究提出了設計低Te和強過冷能力的防凍電解液是實現(xiàn)極端低溫電池的重要路徑。進一步，基于對大量H2O-salt和H2O-solvent體系差示掃描量熱數(shù)據(jù)的總結(jié)歸納以及多溶質(zhì)體系比單溶質(zhì)體系具有更低Te的共識，該團隊提出了設計極端低溫水系電解液的通用策略，也就是低Te和強過冷能力的防凍電解液可以通過引入具有高陽離子勢的鹽或者高溶劑給體數(shù)的共溶劑構(gòu)建多溶質(zhì)體系來實現(xiàn)。該策略是基于相圖的普適性特點而提出的，因此預期在未來可應用于極端低溫非水系電解液的設計。
以鈉離子電池的低溫水系電解液設計為例，該研究通過引入高陽離子勢的鹽和高溶劑給體數(shù)溶劑，設計了一系列鈉基的極端低溫防凍電解液并實現(xiàn)了極低的Te和Tg?；诜纼鲭娊庖海M裝的NaFeMnHCF/H50EG50-2m NaCF3SO3/NaTi2(PO4)3電池室溫下能量密度80Wh/kg，8C倍率下循環(huán)5000周后容量保持率為70%，可以在-60℃至25℃之間正常工作，并在-70℃下點亮LED燈。組裝的NaFeMnHCF/1m NaClO4+4m Ca(ClO4)2/PTCDI電池室溫下能量密度65.7 Wh/kg，4C倍率下循環(huán)250周循環(huán)容量保持91.1%，且所組裝的10mAh軟包電池能夠在-85℃至25℃之間正常工作。
上述研究對極端低溫電解液的設計工作具有指導作用。相關(guān)研究成果以Rational design of anti-freezing electrolytes for extremely low-temperature aqueous batteries為題，發(fā)表在《自然-能源》(Nature Energy)上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院、香港研究資助局以及北京市、江蘇省等的支持。
參考資料來源：中國科學院物理研究所
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