即使在-70°C，可充電電池仍然可以工作，這是什麼原理？

近日，有研究顯示，最新推出的一款可充電電池即使在-70°C的溫度下也可以充電。眾所周知，在這種極端低溫條件下，當今許多手機，電動汽車和其他設備供電的典型鋰離子電池不起作用。承受這種寒冷條件的電池可以幫助建造在地球上一些最寒冷的地方或在其他行星周圍巡航的太空漫遊車上發揮作用的電子設備。

在這種冷條件下使傳統的鋰離子電池效率降低。在-40°C時，這些電池可在室溫下提供約12％的電量，在-70°C，它們根本不起作用。含有一種特殊的電解質，能夠使離子甚至在嚴寒電極之間容易流動。研究人員還為他們的電池安裝了由有機化合物製成的電極，而不是典型的富含過渡金屬的材料。離子可以放在這種有機材料中，而不必剝離粘在它們上面的電解質材料。因此，即使在低溫下，這些有機電極也比普通電池中的電極更容易捕獲和釋放離子，本項研究合作者，來自上海復旦大學電池研究員Xiaoli Dong說。

在鋰離子電池內部，離子在正極和負極之間流動，離子嵌入其中，然後被釋放以通過稱為電解質的物質返回到另一端。隨著溫度下降，離子緩慢地通過電解質移動。冷卻還使離子更難以脫離電解質材料，當電池材料穿過電解質材料時會浮現在它們上面。離子必須脫離物質以適應電極材料。

由於離子流動性更好，並且在較低溫度下更容易與電極連接，因此即使在-70°C，電池也能保持約70％的室溫充電容量。加州大學聖地亞哥分校的材料科學家Shirley Meng表示，新設計中的電池單元每克能耗比標準鋰離子電池更少，她想知道是否可以製造能量更密集的電池版本。

低溫操作是可充電電池面臨的巨大挑戰，並且通常認為離子導電性不足和電解質凍結是導致該問題的主要原因。在此，首先使用在-70℃的超低溫下具有0.2mS cm -1的足夠離子電導率的乙酸乙酯基電解質來製造基於插層化合物的鋰離子電池（LIB）和有機電極。基於可充電電池，分別闡明其低溫行為。結果表明，由於鋰離子的去溶劑化緩慢，LIB不能在-70℃下工作。然而，使用有機電極的可充電電池在如此低的溫度下可以很好地工作並且在室溫下保持約70％的容量，這是由於在表面基團或有機固體的大間隙空間中電荷儲存的快速動力學。這些結果表明了開發低溫電池的新方法。

總之，已經研究了基於EA的電解質的低溫性能，導致在-70℃的超低溫下具有0.2mS cm -1的足夠的離子電導率。基於這種電解質，已經製造了分別基於插層化合物和有機聚合物作為電極的可充電電池。已經證明，這些基於嵌入化合物的LIB的低溫行為仍然受到Li 的緩慢去溶劑化的限制。在電解質和電極之間的界面處，雖然在低溫（-70℃）下具有足夠的電解質離子導電性並且在電極上沒有形成固體電解質界面。還發現使用相同的基於EA的電解質的基於聚合物的可再充電電池沒有遭受上述困難。因此，即使在-70℃的超低溫下，聚合物基可再充電電池也可以很好地工作。這些結果可能會闡明可在超低溫下運行的可充電電池的設計。同時，為了在這些溫度下進一步開發具有高性能的可充電電池，在未來的研究中還需要在超低溫下通過原位分析來闡明去溶劑化/溶劑化過程。

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