即使在-70°C，可充电电池仍然可以工作，这是什么原理？
来源：宝鄂实业
2019-04-01 13:38
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有研究显示，最新推出的一款可充电电池即使在-70°C的温度下也可以充电。众所周知，在这种极端低温条件下，当今许多手机，电动汽车和其他设备供电的典型锂离子电池不起作用。承受这种寒冷条件的电池可以帮助建造在地球上一些最寒冷的地方或在其他行星周围巡航的太空漫游车上发挥作用的电子设备。
在这种冷条件下使传统的锂离子电池效率降低。在-40°C时，这些电池可在室温下提供约12％的电量，在-70°C，它们根本不起作用。含有一种特殊的电解质，能够使离子甚至在严寒电极之间容易流动。研究人员还为他们的电池安装了由有机化合物制成的电极，而不是典型的富含过渡金属的材料。离子可以放在这种有机材料中，而不必剥离粘在它们上面的电解质材料。因此，即使在低温下，这些有机电极也比普通电池中的电极更容易捕获和释放离子，本项研究合作者，来自上海复旦大学电池研究员Xiaoli Dong说。
在锂离子电池内部，离子在正极和负极之间流动，离子嵌入其中，然后被释放以通过称为电解质的物质返回到另一端。随着温度下降，离子缓慢地通过电解质移动。冷却还使离子更难以脱离电解质材料，当电池材料穿过电解质材料时会浮现在它们上面。离子必须脱离物质以适应电极材料。
由于离子流动性更好，并且在较低温度下更容易与电极连接，因此即使在-70°C，电池也能保持约70％的室温充电容量。加州大学圣地亚哥分校的材料科学家Shirley Meng表示，新设计中的电池单元每克能耗比标准锂离子电池更少，她想知道是否可以制造能量更密集的电池版本。
低温操作是可充电电池面临的巨大挑战，并且通常认为离子导电性不足和电解质冻结是导致该问题的主要原因。在此，首先使用在-70℃的超低温下具有0.2mS cm -1的足够离子电导率的乙酸乙酯基电解质来制造基于插层化合物的锂离子电池（LIB）和有机电极。基于可充电电池，分别阐明其低温行为。结果表明，由于锂离子的去溶剂化缓慢，LIB不能在-70℃下工作。然而，使用有机电极的可充电电池在如此低的温度下可以很好地工作并且在室温下保持约70％的容量，这是由于在表面基团或有机固体的大间隙空间中电荷储存的快速动力学。这些结果表明了开发低温电池的新方法。
总之，已经研究了基于EA的电解质的低温性能，导致在-70℃的超低温下具有0.2mS cm -1的足够的离子电导率。基于这种电解质，已经制造了分别基于插层化合物和有机聚合物作为电极的可充电电池。已经证明，这些基于嵌入化合物的LIB的低温行为仍然受到Li +的缓慢去溶剂化的限制。在电解质和电极之间的界面处，虽然在低温（-70℃）下具有足够的电解质离子导电性并且在电极上没有形成固体电解质界面。还发现使用相同的基于EA的电解质的基于聚合物的可再充电电池没有遭受上述困难。因此，即使在-70℃的超低温下，聚合物基可再充电电池也可以很好地工作。这些结果可能会阐明可在超低温下运行的可充电电池的设计。同时，为了在这些温度下进一步开发具有高性能的可充电电池，在未来的研究中还需要在超低温下通过原位分析来阐明去溶剂化/溶剂化过程。
汽车电动化的速度在近几年内发展的飞快！回想起十几年前，电动车当时候还只是天马行空的想法，而到了现在，全球汽车市场上已经有几十款不同的混合动力『Hybrid』、插电混合动力『Plug-in Hybrid』以及电动车能够让消费者选择购买。
就连法拉利、保时捷、迈凯伦以及柯尼塞格这些高端品牌的旗舰车型都已经是混合动力，再加上特斯拉推出性能强大的电动车型之下，曾几何时，电动车型已经不再是以环保为目的，也开始和性能、速度挂钩。
汽车电动化的关键，在于电池科技的进步。在近十年间，由于越来越多汽车制造商和相关领域的车厂加入资金研发，电池的效能、重量、体积等各方面都有了大幅改善。但是，电池的种类多样，究竟哪一种形式的电池才是最适合汽车使用呢？
今天小编就来介绍目前汽车市场最常见的车辆电池种类，并且比较这些电池的优缺点！！！
锂电池 Lithium-ion（Li-ion）Batteries
不只是汽车领域，目前多数商用电子产品当中普遍使用了锂电池，而在过去十多年以来，锂电子也因为广泛的使用，在效能上不断进化。因此，除了现在多数的混合动力和电动车都使用锂电池之外，包括了智能手机、平板电脑、笔记本电脑等消费电子产品都是使用锂电池。
不过，『锂』只是一种通称，在这种形式的电池之下还分忧很多种类。以消费电子产品来说，最常使用的是锂钴氧化电池『LiCoO2』，是锂电池当中能量密度最高的一种。但是这种电池有着『热失控（thermal runaway）』的缺点，也就是在过度充电或者温度较高的环境之下，如果没有正确使用即很容易发生过热甚至爆炸起火的状况，这也是锂钴氧化电池纵使有着最高的能量密度，也鲜有使用在汽车领域当中。
多数电动工具、医疗工具以及车用电动系统所使用的锂电池多半为磷酸锂铁电池『LiFePO4』、锰酸锂电池『LMO』、镍钴锰三元电池『NMC』等，虽然这几种电池的能量密度低于锂钴氧化电池，但是使用寿命以及安全性都更加优异，因此相当适合在电动化汽车领域当中，其中以镍钴锰三元电池最为广泛应用在混动动力和电动车上，目前Formula E电动方程式赛车所使用的电池也是基于镍钴锰三元电池（NMC）制造而成。
『全新 Formula E电动方程式赛车』
为什么锂电池是目前电动化汽车电池的大客户？基本上，锂电池有着优异的『能量重量比』、『充电速度快』以及『几乎没有记忆效应』这三大优势。
较高的能量密度意味着电池重量较轻，这对于追求轻量化、高性能以及讲究续航力的汽车来说相当合适。充电速度快当然也是电动车使用与否的关键之一，但是在现实环境当中锂电池的充电速度只是稍微比其他形式的电池快而已，绝对不是天与地的分别。至于电池记忆效应则是几乎不会发生在锂电池上，因此锂电池的电力容量并不容易随着使用次数增加而大幅减少。
『现在高端启动电池使用磷酸锂电池】
但是这并不代表锂电池就没有缺点，以目前的电池制造商技术来看，锂电池主要缺点在于成本比其他种类电池高出不少，以镍基电池为例，锂电池制造成本大约高出40%，这通常会让希望推出平民电动车型的汽车制造商打退堂鼓。不过，无论是何种电池，在近年经济模式的扩张之下，成本和多年前相比都已经大幅降低。
此外，锂电池虽然不用“烦恼”记忆效能的问题，但是仍然会随着时间以及使用环境所产生衰退。以目前汽车制造商的评估，车用锂电池使用寿命大约在10年左右，但是目前还没有电动车运转足够时间和实际资料来验证这个理论。不过从目前的各大车厂掌握的电池技术来看，锂电池是所有种类电池当中缺点最少的，因此被视为当下最佳车用电池来源。
镍氢电池 Nickel-metal-hydride（Ni-MH）Batteries
在锂电池未广泛应用之前，较早起的混合动力车型多半使用的是镍氢电池（Ni-MH），及时到现在逐渐被锂电池取代，还是有不少混合动力车型在使用这种类型的电池。
镍氢电池的优势为相对低廉的制造成本，这种电池主要以镍、氢、鈦或者其他类型的金属组成，在制造成本上比锂电池低廉许多，但是随着市场投入越来越多的资源到锂电池领域，两种电池之间的成本正在不断的缩小。
即使如此，锂电池也有着一个相当大的优势，就是耐用性。只要保养得宜，镍氢电池可以拥有非常久的使用寿命。除此之外，因为镍氢电池含有有毒元素非常少，使得其回收成本相对低，而成本当中含有大量的镍金属以及其他贵金属电池的回收利润比其他种类电池还要高。
『旧款丰田混动车型都在使用镍氢电池』
可惜，镍氢电池的能量密度并不高，大约比一般锂电池低了40%，这意味着要达到同样的电容量，镍氢电池需要更大的体积也更重，这使得镍氢电池和现在汽车制造商追求大空间和轻量化理念背道而驰。
另外，在密集且快速的冲放电情况下，镍氢电池也容易产生大量热能，因此需要额外的冷却系统，使得整个电池系统重量又增加不少。
其他种类的电池
除了以上两种电池之外，目前许多研究机构都在研发效能更高的电池系统，包括了氧化物电池、磷酸铁电池、磷酸锂铁电池、锂空气电池、锂聚合物电池、镍钴锰电池、镍钴铝电池以及锰氧化物尖晶石电池都是未来有可能成为电动车能量来源的电池种类。
钴氧化物电池已经问世很长一段时间，但是目前的困境仍然在于热失控以及制造成本，否则这种电池的高能效密度将会是极佳的高性能车用电池。
磷酸铁电池则是目前最稳定且成本合理的电池派别，可惜因为其采取低电压的运作方式，如果要作为车用电池，将需要使用更多的电池数量，造成重量和体积增加。
锂聚合物电池也是锂电池的一种，但是现今锂聚合物电池需要制成“袋状”，对于空间配置较为不利，因为目前仅有少数电动车使用此类型电池。
镍钴锰电池和镍钴铝电池现在制造成本还是太高，而且热失控问题尚未解决，因为无论是效能如何，距离商用还是有相当长的路要走。
锂空气电池较为新的电池技术，拥有极佳的能量密度，其能量重量比几乎和现在的汽油相当，更是目前锂电池的5~15倍之多，但是仍处于开发初期，因为也是需要好一段时间才能够达成量产。
