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研究快讯 | 可在零下100 ℃工作的锂离子电池
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EXPRESS LETTER
Lithium Ion Batteries Operated at −100 ℃
Jianli Gai (盖建丽), Jirong Yang (杨纪荣), Wei Yang (杨伟), Quan Li (李泉), Xiaodong Wu (吴晓东), and Hong Li (李泓)
Chin. Phys. Lett. 2023 40 (8): 086101
DOI: 10.1088/0256-307X/40/8/086101
文章亮点
报道了一种低温液态电解质，具有非常低的冰点（Tf = −126.3 ℃）和极低温度下的高离子导电性（−100 ℃时为0.21 mS/cm），可以支持9.6 Ah锂离子电池在−100 ℃极低温度下工作（放电容量保持率相比室温达49.6%）。该实际锂离子电池工作温度是目前已公开报道中最低的。
图1. 公开报道的低温电池低温容量保持率比较。
可在零下100 ℃工作的锂离子电池
研究背景
电池作为动力系统的核心部分，必须能够在某些应用场景中经受非常恶劣的条件。例如，电动车可能会暴露在高纬度地区的−30 ℃低温环境中，甚至在极地地区的冬季可能降至−90 ℃（1983年南极洲沃斯托克站记录的最低温度为−89.2 ℃）。用于太空探索的设备将面临更加恶劣的环境条件，例如火星表面的极低温度可达−120 ℃。已有的锂离子电池在上述低温条件下工作的一个主要障碍是非水电解质的冻结，阻碍了锂离子（电池中的能量载体）的传输。最常用溶剂碳酸乙烯酯（EC）的冰点约为36 ℃（室温下为固体），无法支持锂离子电池在低温条件下工作。目前，大多数设备在环境温度较低时会自动关机以保护设备。
内容简介
最近，天目湖先进储能技术研究院和中国科学院物理所团队合作，报道了一种低温液态电解质，由传统的碳酸乙烯酯（EC）、乙酸甲酯（MA）、丁腈（BN）溶剂和1M LiPF6盐组成。该电解质具有非常低的冰点（Tf = −126.3 ℃）和极低温度下的高离子导电性（−100 ℃时为0.21 mS/cm），成功地将实际9.6 Ah锂离子电池的工作温度扩展到−100 ℃（相比室温保留49.6%的容量）。据我们所知，这是迄今为止报告中实际电池的最低工作温度，低于地球上记录的最低自然温度（−89.2 ℃）。与此同时，锂离子电池的高温性能不受影响。在25 ℃和45 ℃分别经过800个循环后，容量保持率分别达到88.2%和83.4%。
研究意义和重要性
保证储能系统在极低温度下的供电能力，对于很多应用场景具有决定性的影响，因此开发能够在极低温度下工作的锂离子电池和电源系统非常迫切。另外，对于极低温度下的电解液的基础性质的新认识，将促进全气候锂离子电池的开发。
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