加州大學(xué)中國博士生將液化氣電解液應(yīng)用于超低溫電池，在-60℃保持91%常溫放電容量 _電池

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在儲能體系中，一次電池被認為是“區(qū)別于可充電性電池”中不可或缺的存在。
在需要超長儲存壽命，極端環(huán)境或者不需要可充電的情況下，一次電池由于能量密度高、高功率性能好、自放電低等優(yōu)勢，被大量應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、航空航天、高海拔和深海探測等領(lǐng)域。鋰/氟化碳（Li/CFx）由于在一次電池中性能突出，已經(jīng)被商業(yè)化應(yīng)用。
【加州大學(xué)中國博士生將液化氣電解液應(yīng)用于超低溫電池，在-60℃保持91%常溫放電容量】但是從電解液開發(fā)角度來分析，由于常用的電解液存在低離子電導(dǎo)率，相對高的粘度和高阻抗的鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)脫附，在超級低溫（低于零下 40℃）、高功率放電領(lǐng)域，Li/CFx 電池的性能仍有很大的進步空間。
近日，加州大學(xué)圣地亞哥分校團隊設(shè)計了一種用于 Li/CFx 電池的超低溫電解液，該電解液展示出高離子電導(dǎo)率，陰離子對富集的溶劑化結(jié)構(gòu) ，并且在低溫下也能夠保持這些特性。
具體來說，在 -60℃ 的超低溫度條件中，運用這種電解液的 Li/CFx 電池可以保持 91% 的常溫容量保持率，甚至在 -70℃ 依然可以釋放 70% 的容量。此外，這種電解液與超厚電極（400 微米，5 0mg/cm 2 ）也展示出突出的性能，在 -60 ℃ 下的容量可達常溫的 84% 。
圖丨相關(guān)論文（來源：Advanced Materials）
近日，相關(guān)論文以《超低溫鋰/氟化碳電池實現(xiàn)快速運輸和陰離子配對液化氣體電解質(zhì)》（）為題在 Advanced Materials 上以 Early View 形式展現(xiàn)[1] 。

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在 -60℃ 保持 91% 常溫放電容量
該團隊通過優(yōu)化鹽的種類，甲醚（Me 2 O）和碳酸亞丙烯酯的體積比，形成的溶液在寬溫領(lǐng)域（-70℃~+55 ℃）展示出大于 3.5mS/cm 的離子電導(dǎo)率。
即使是在 1mol/L 的濃度下，溶液也表現(xiàn)出陰離子對富集的溶劑化結(jié)構(gòu) ，而這樣的溶劑化結(jié)構(gòu)類似于高濃度或者局部高濃體系。

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圖丨該論文共同通訊作者教授（左）和博士在第 242 屆亞特蘭大電化學(xué)會議（來源：尹一杰）
該論文第一作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校材料系博士生表示：“我們創(chuàng)新性地將稀溶液的高離子傳導(dǎo)率，和局部高濃在鋰離子去溶劑化的優(yōu)勢相結(jié)合，表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫及大電流放電性能。”
另一方面，由于 Me2O 具備比常用的溶劑低一個數(shù)量級的黏性，因此即便用 50mg/cm2 面密度的 CFx 電極，電池在 -60℃ 下依然可以保持 91% 常溫放電容量。

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圖丨CFx 在不同電解質(zhì)中的電化學(xué)性能（來源：Advanced Materials）
與此同時，該團隊希望通過探索明確低溫性能優(yōu)異的機理。考慮到界面分析的復(fù)雜性，他們先通過監(jiān)視在不同放電狀態(tài)下的電化學(xué)阻抗，觀察到 Me2O 體系中顯著降級的電解液、電極的內(nèi)阻以及電荷轉(zhuǎn)移電阻。“前者與更高的離子電導(dǎo)率相吻合，后者有三種可能來源。”說。
具體來說，一是鋰離子從溶劑化結(jié)構(gòu)中脫附，二是正極/電解液界面的物理形貌和化學(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的鋰離子在正極/電解液界面中的轉(zhuǎn)移速率不同，三是 CFx 放電產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)不同。
該團隊通過巧妙的實驗設(shè)計，在兩種溶液中分別將 Li/CFx 放電 10 小時，然后用 X 射線光電子能譜學(xué)，高分辨透射電鏡和電子能量損失譜去分析樣品。