化工儀器網手機版
移動端訪問更便捷
科學家提出鈉離子電池極端低溫電解液設計策略
2024年06月06日 15:35:14
來源：化工儀器網 點擊量：8877
這一電池的能量密度可達80Wh/kg，循環(huán)壽命可達5000周，運行溫區(qū)為-85℃至25℃。
【化工儀器網 項目成果】隨著科技的不斷發(fā)展，人類對極端環(huán)境的探索研究也在一步步推進，，如極地探險、太空探索等。如何保證極端環(huán)境下科研儀器的正常運行，是保障研究工作的重要環(huán)節(jié)。低溫電池能夠在較低的溫度下正常工作，如普通民用電池在-20℃下無法使用，而低溫鋰離子電池在-50℃下仍可正常使用。發(fā)展極端低溫電池對于寒冷氣候下人類活動以及極寒條件下太空探索和深海研究具有重要意義。
然而，低溫下的電解液尤其是水系電解液存在易凍結的問題，阻礙了電池在低溫下應用。H2O-solute相圖存在三類典型的溫度參數——冰點(Tf)、共晶溫度(Te)、玻璃化轉變溫度(Tg)。傳統(tǒng)的低溫防凍電解液設計策略一般聚焦于調控電解液的Tf，但Tf無法準確反映出電解液的防凍低溫極限，僅通過調控Tf來設計防凍電解液，限制了高性能極端低溫電池的開發(fā)。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員胡勇勝和副研究員陸雅翔，聯合中國科學院過程工程研究所研究員趙君梅、香港中文大學教授盧怡君，基于對H2O-solute相圖的深入研究以及大量差示掃描量熱數據的歸納總結，提出了極端低溫電解液的新型設計策略，實現了性能優(yōu)異的極低溫水系鈉離子電池。這一電池的能量密度可達80Wh/kg，循環(huán)壽命可達5000周，運行溫區(qū)為-85℃至25℃。
該團隊基于對H2O-solute相圖的研究發(fā)現，Te決定電解液的熱力學防凍低溫極限，而Tg則決定電解液的動力學防凍低溫極限，且只有在強過冷能力電解液體系中才能夠在Te和Tg之間保持足夠長時間的過冷液態(tài)。因此，該研究提出了設計低Te和強過冷能力的防凍電解液是實現極端低溫電池的重要路徑。進一步，基于對大量H2O-salt和H2O-solvent體系差示掃描量熱數據的總結歸納以及多溶質體系比單溶質體系具有更低Te的共識，該團隊提出了設計極端低溫水系電解液的通用策略，也就是低Te和強過冷能力的防凍電解液可以通過引入具有高陽離子勢的鹽或者高溶劑給體數的共溶劑構建多溶質體系來實現。該策略是基于相圖的普適性特點而提出的，因此預期在未來可應用于極端低溫非水系電解液的設計。
以鈉離子電池的低溫水系電解液設計為例，該研究通過引入高陽離子勢的鹽和高溶劑給體數溶劑，設計了一系列鈉基的極端低溫防凍電解液并實現了極低的Te和Tg?；诜纼鲭娊庖?，組裝的NaFeMnHCF/H50EG50-2m NaCF3SO3/NaTi2(PO4)3電池室溫下能量密度80Wh/kg，8C倍率下循環(huán)5000周后容量保持率為70%，可以在-60℃至25℃之間正常工作，并在-70℃下點亮LED燈。組裝的NaFeMnHCF/1m NaClO4+4m Ca(ClO4)2/PTCDI電池室溫下能量密度65.7 Wh/kg，4C倍率下循環(huán)250周循環(huán)容量保持91.1%，且所組裝的10mAh軟包電池能夠在-85℃至25℃之間正常工作。
上述研究對極端低溫電解液的設計工作具有指導作用。相關研究成果以Rational design of anti-freezing electrolytes for extremely low-temperature aqueous batteries為題，發(fā)表在《自然-能源》(Nature Energy)上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院、香港研究資助局以及北京市、江蘇省等的支持。
參考資料來源：中國科學院物理研究所
相關閱讀 Related Reading
查看更多+-
近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員胡林華團隊在水系鋅離子電池凝膠電解質研究方面取得新進展。研究人員采用了親鋅增...2025-06-25 10:50:56
-
近日，中國科學院大連化學物理研究所研究人員研發(fā)出厚度僅為3微米的高穩(wěn)定性超薄聚合物膜材料，將全釩液流電池的工作電流密度提升至300...2025-06-23 11:42:52
-
大連化學物理研究所太陽能研究部(DNL16)李燦院士團隊提出了光電-熱電雙效應耦合的思路，并發(fā)現了光伏效應與熱電效應的耦合機制，實...2025-06-19 13:45:14
-
鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性再獲突破 昆明理工大學帶來全新成果
，昆明理工大學材料科學與工程學院陳江照教授和何冬梅教授團隊在高性能鈣鈦礦太陽能電池領域取得重要進展，成功在鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性上...2025-06-17 17:23:32 -
根據鋰電池行業(yè)規(guī)范公告企業(yè)信息和行業(yè)協(xié)會測算，1－4月全國鋰電池總產量超過473GWh，同比增長68%。2025-06-16 11:14:52
-
近日，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室研究員鐘超團隊聯合中國科學院深圳先進技術研究院集成所神經工程中心研究...2025-06-11 11:37:46
版權與免責聲明
- ①凡本網注明“來源：化工儀器網”的所有作品，均為浙江興旺寶明通網絡有限公司-化工儀器網合法擁有版權或有權使用的作品，未經本網授權不得轉載、摘編或利用其他方式使用上述作品。已經本網授權使用作品的，應在授權范圍內使用，并注明“來源：化工儀器網”。違反上述聲明者，本網將追究其相關法律責任。
- ②本網轉載并注明自其他來源（非化工儀器網）的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責，不承擔此類作品侵權行為的直接責任及連帶責任。其他媒體、網站或個人從本網轉載時，必須保留本網注明的作品第一來源，并自負版權等法律責任。
- ③如涉及作品內容、版權等問題，請在作品發(fā)表之日起一周內與本網聯系，否則視為放棄相關權利。
