锂离子电池新突破来了！ 应用新电解液的液态锂电池，10分钟内能完成充放电，室温下离子电导率提高4倍。 同时还拥有超宽工作温域，下至-70℃上至60℃，就算是漠河的魔鬼天气，都能稳定工作。 这项新研究成果来自浙江大学，论文已登Nature。 新锂离子电解液：10分钟快速充放 随着气温逐渐回暖，“电动爹”开始没那么难伺候。 虽说各新能源车企为了保证冬季续航使出浑身解数，但低温环境下，锂电池化学反应变慢，甚至极低温度时电解液冻结，电池性能下降是不争的事实。 并且除了低温，高温环境同样会影响液态锂离子电池的工作速率。 这其中一个重要因素就是电解质。 众所周知，电池充放电的速率和锂离子在电池中移动的速度有关。 以低温环境为例，当环境温度低于-20℃时，电解液黏度增加（也就是逐渐凝固的过程），导致锂离子移动速度下降，即锂离子电导率下降。 同时，因为液态锂离子电池首次充放电过程中，电极和电解液在接触面上会形成一层钝化层，也就是SEI膜。 虽然SEI膜可以防止电解液的溶剂分子进入损坏电极，但在低温环境下，这层SEI膜会越来越厚，阻抗增加，也会降低锂离子电导率。 但浙江大学团队提出的这种电解液，基于FAN氟乙腈，从-70℃到60℃，都能保证很高的离子导电率。 比如在-70℃，FAN电解质的电池也能达到11.9mS/cm的高离子电导率，高于传统碳酸盐电解质四个数量级以上，超越该态离子电导率最高的电解质。 并且还具有稳定性。在60℃，以6C的速率进行充放电循环，使用FAN电解液的锂离子电池，循环600次后电池容量还保持在80%。 而在电池容量均为1.2Ah时，无论是多次循环还是温度降至-80℃，只有使用FAN电解液的锂离子电池还能够提供一定的可逆容量。 即使是在一般情况，即25°C时，使用FAN电解液的电池最高实现40.3mS/cm的超高离子电导率，高于典型电解液四倍多。 也就是说，这种新型电解液让锂离子电池具备超宽工作温域的同时，还能保证稳定、循环工作，性能和传统碳酸盐电解液相比有很大提升。 团队表示，在同等条件下，使用FAN电解液的电池可以实现充电10分钟，电量充到80%，快充性能优异。 那么，为什么是FAN电解质？ 配体通道促进传输机制 想要在极端温度情况下保证电池性能，也就是保证锂离子的移动，或者说传导速率，那么首先需要了解的是现有传导方式的优缺点。 当前在碳酸盐电解液中，锂离子主要有两种传导方式，载体传输（Vehicular Transport）和结构传输（Structural Transport），或称跳跃传输（Hopping Transport）。 载体传输时，溶剂分子在锂离子外形成一个溶剂化鞘（solvation sheath），这个复合物整体包着锂离子在电解液中移动，相当于一个载体带着锂离子。 也就是说，在载体传输时，锂离子的移动速度取决于溶剂化鞘的移动速度。 结构传输则是锂离子在溶剂分子和阴离子之间跳跃，从而进行移动，锂离子的移动速度则取决于电解液的浓度。 而载体传输虽然能在低浓度电解液中实现高离子导电性，并且能够形成稳定的SEI膜，但是低温、电解液浓度过高会让溶剂化鞘移动速度下降，降低锂离子传导速度。 结构传输则在高浓度电解液中更有效，并且在某些情况下，锂离子的高速移动还会破坏SEI膜，影响电池性能。 所以，有没有一种方式或者是材料，能够同时满足锂离子能高速移动，同时拥有宽工作温域呢？ 浙大团队在筛选溶剂时，发现FAN，即氟乙腈溶剂同时具有低溶剂化能，低锂离子传输能垒和小分子尺寸溶剂的特点。 △来源：浙江大学 也就是说，在FAN溶剂中，锂离子与溶剂分子之间作用力弱，只需较少能量就能快速移动，在低温情况下也能稳定移动。 同时溶剂分子尺寸小，溶剂化鞘小，可以与锂离子相互作用并调节溶剂化结构，形成连续的锂离子运输配体通道，促进锂离子的化学反应。 团队由此提出配体通道促进传输机制的概念，并引入传输指数（TI）这一参数，来量化锂离子的传输行为。 当TI=0时，锂离子传输通过载体传输方式；当TI=1时，锂离子则通过结构传输；而在一种电解质的TI等于0.5时，该电解质能明显促进配体通道传输。 团队认为，TI可以作为设计具有超离子态理想电解质的有效参数。 浙大团队不仅发现了FAN这种能实现宽工作温域、高稳定性、高性能的电解液材料，还提出衡量电解液离子传导能力的新参数。 研究团队介绍 论文研究团队主要来自浙江大学，并且不乏教学科研经历兼备的资深教授、研究员。 第一作者为浙江大学材料科学与工程学院陆迪博士，和李如宏研究员。 △右一：陆迪，来源：浙江大学 李如宏博士毕业于哈尔滨工业大学，后来到浙江大学开展博士后研究工作。 现在是浙江大学杭州国际科创中心创新研究院研究员、博士生导师，已经发表SCI论文60余篇，被引超过1200次。 其他作者Ling Lv、Yiqiang Huang、Chuangchao Sun、Shuoqing Zhang、Haikuo Zhang、Junbo Zhang、Sheng Yang、陈立新教授、范利武长聘副教授、肖学章副教授也均来自浙江大学。 另外，还有来自美国橡树岭国家实验室的Muhammad Mominur Rahman博士，中国科学院的Pengyun Yu、王建平研究员，以及马里兰大学邓涛博士。 本文的通讯作者包括三位，来自浙大的范修林研究员，马里兰大学王春生教授和布鲁克海文国家实验室的胡恩源教授。 △ 范修林 范修林研究员特别指出，这种FAN电解液材料制造的电池成本还比较高，可以先应用于极地科考、空间探测、海底勘探等极端温度情况。 不过随着电解液技术的迭代，范修林研究员认为这种锂离子电池足够应用进新能源汽车，并且团队已经和相关企业展开合作。 等到真的大规模上车的那一天，即使在冬天，电动车也不会是轻易掉电、续航打折的“电动爹”了。