黑科技給鋰電池穿上“羽絨服”

2019年，當(dāng)諾貝爾化學(xué)獎的桂冠授予在發(fā)明鋰電池過程中作出貢獻的3位科學(xué)家時，評審盛贊“他們創(chuàng)造了一個可充電的世界”。如今，鋰電池就像現(xiàn)代社會的“能量心臟”，從手機到電動車，從醫(yī)療設(shè)備到太空站，都離不開它。但這個改變世界的大功臣，卻有個“小毛病”——特別怕冷！

鋰電池的“畏寒”之謎

鋰電池的工作原理，就像一場離子賽跑。充電時，鋰離子從正極跑到負極；放電時，它們又跑回來，釋放電能。但在低溫下，這場賽跑會遇到三大阻礙。

電解液變“果凍”

電解液是鋰離子的“跑道”，常溫下如水般輕盈流動，鋰離子奔跑得毫無阻礙。一旦溫度跌破0 攝氏度，電解液就仿佛溪流瞬間凝成冰漿——因為常用電池電解液中的碳酸乙烯酯的熔點僅36 攝氏度，低溫下更易析晶，使電解液趨向半凝固，離子通道被堵，內(nèi)阻隨之飆升，鋰離子便跑不動了。

負極“堵車”

好不容易跑到負極的鋰離子，還要再跨一道“能量墻”。研究表明，低溫下石墨負極的電荷轉(zhuǎn)移電阻可驟升至常溫數(shù)倍，過電位隨之升高，迫使大量鋰離子擠在負極表面，最終沉積為針狀金屬鋰。這些微觀“冰錐”不僅消耗活性鋰離子，還可能刺穿電池內(nèi)部，引發(fā)短路甚至熱失控。

保護膜“凍裂”

最隱蔽的破壞來自電極表面的固體電解質(zhì)界面膜（SEI膜，鋰離子電池在首次充放電時形成的一層鈍化膜，對電池的性能和安全性至關(guān)重要）。這層本應(yīng)保護電極的“防護衣”，在低溫下會異常增厚，結(jié)構(gòu)由致密變多孔，如同被凍裂的皮膚。研究表明，破裂的SEI膜會不斷消耗電解液以修復(fù)自身，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致活性鋰離子持續(xù)損失。

這三重困境疊加，使得零下20攝氏度時鋰電池容量僅剩常溫的50%，充電速度更是慢如蝸牛。

科技防寒術(shù)：給電池“保暖”

為了讓鋰電池不再“怕冷”，科學(xué)家想出了各種保暖妙招。?

“智能暖寶寶”——脈沖加熱技術(shù)

脈沖加熱技術(shù)加熱速率快、溫度均勻性好，利用電池內(nèi)阻的焦耳熱效應(yīng)，快速加熱電池。多家車企的實測表明，零下30 攝氏度環(huán)境下3分鐘即可把電池從零下25 攝氏度加熱至0 攝氏度，能耗不足5 %，為極寒場景下快速喚醒離子活性提供了可行方案。這種“自我供暖”既避免局部過熱，又能快速喚醒離子活性。

“體溫調(diào)節(jié)器”——智能溫控系統(tǒng)?

華為等公司研發(fā)的電池管理系統(tǒng)（BMS），能實時監(jiān)測電池溫度，自動調(diào)節(jié)電流分配或啟動加熱膜，將整包溫差控制在數(shù)攝氏度以內(nèi)，并支持根據(jù)用車日程提前預(yù)熱，為低溫續(xù)航提供保障。

“抗凍電解液”——新材料突破?

華中科技大學(xué)謝佳團隊用氟苯與乙酸甲酯構(gòu)建新型溶劑體系，其設(shè)計的新型電解液可在零下70攝氏度保持液態(tài)，零下60攝氏度仍能放出室溫容量的91%，顯示出優(yōu)異的極端低溫性能。??

未來電池，挑戰(zhàn)極寒極限

現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)能讓鋰電池在零下30攝氏度正常工作，但科學(xué)家還在挑戰(zhàn)更極端的環(huán)境，比如南極、火星。

鈉離子電池——鋰電池的“抗凍兄弟”

鈉離子比鋰離子更耐寒，零下30攝氏度仍可放出常溫容量的80%以上，而且鈉資源儲量豐富，價格只有鋰的五分之一，未來可能成為極地探險、寒冷地區(qū)儲能的理想選擇。

?固態(tài)電池——徹底告別“怕冷”

固態(tài)電池用固態(tài)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)液態(tài)電解液，鋰離子直接通過晶格間隙遷移，如同在冰原上架起直達通道。實驗室里，全固態(tài)電池已在零下60 攝氏度實現(xiàn)可逆充放電，為未來的極地裝備應(yīng)用提供了技術(shù)可行性。?

從手機到火星車，從日常出行到極地探險，科學(xué)家正用智慧讓電池越來越抗凍。也許不久的將來，我們就能看到電動汽車在零下50攝氏度的北極飛馳，火星探測器用鈉離子電池傳回珍貴數(shù)據(jù)。鋰電池從諾獎突破到寒冷續(xù)航的進化，仍在續(xù)寫。?

（責(zé)任編輯 / 李銀慧" 美術(shù)編輯 / 周游）