潮新聞記者何冬健楊一凡通訊員柯溢能
北方冬季「趴窩」的電動車，南方夏日「發燙」的手機…這些在我們日常生活中「添麻煩」的小場景，正是由於鋰電池「嬌貴」的耐候性所致。
近日，浙江大學聯合多家單位設計出一款新型電解液，不僅能支援鋰電池在-70℃到60℃的超寬溫區內進行可逆充放電，還可以讓鋰電池在10分鐘內完成快速充放電。
「快速充電、低溫運行和安全問題，是當前製約鋰電池發展的三大難題。」浙江大學材料科學與工程學院範修林研究員說，「面向世界科技前沿，我們勇於做『探險家』，在科技的'無人區'披荊斬棘。"
極端天氣
「凍僵」的鋰電池
2019年，諾貝爾化學獎頒給了三位研發鋰電池的科學家。他們「馴服」了鋰離子，為所有人創造了一個可重複充電「超長待機」的世界。
然而，廣受歡迎的鋰電池亦有缺陷－零下20℃至55℃，是它運作的常規溫度。近年來，電動工具、電動車及光電站等領域都「相中」了它，從赤道到兩極都有它的出現，如果僅限在常規溫度，鋰電池顯然無法滿足當下迫切的需求。
一組數據可說明：若在零下20℃條件下工作，鋰電池放電容量僅為常溫下的70%左右；若在超過60℃條件下工作，電池壽命將急速衰減。
要解決上述難題，首先要弄清楚，鋰電池在極端氣溫下為何會充放電變慢。
範修林介紹，鋰電池本質上是透過鋰離子在正負極之間的遷移，來實現能量的儲存和釋放。充電時,正極上的鋰原子會分解成鋰離子和電子,電子通過外電路到達負極,鋰離子通過隔膜到達負極。在負極鋰離子與電子相遇,這樣又重新變成鋰原子。正是這種獨特的特性，它被形象稱為「搖椅電池」。
換句話說，鋰電池充放電的速率和鋰離子在電池中移動的速度有關。
於是，北方冬季「趴窩」的電動車，可以說是被「凍僵」了——環境溫度降低，電池內阻增大，此時鋰離子的遷移將變得十分困難，充放電性能也因此變差。
同時，液態鋰離子電池首次充放電過程中，電極和電解液在接觸面上會形成一層鈍化層。雖然這樣的鈍化層可以防止電解液的持續分解損壞電極，但在低溫環境下，這層SEI膜會越來越厚，阻抗增加，也會降低鋰離子電導率。
在這種情況下使用大電流充電，負極表面會聚集大量鋰原子，造成鋰枝晶在負極表面沉澱。析鋰不但會造成電池容量損失，性能下降，嚴重時還會刺穿隔膜，引發安全事故。
氣候疊加鋰電池的「怕冷」特性，成為影響新能源汽車推廣的一大因素。家在遼寧瀋陽的夏銘（化名）為了方便上班、出遊最近考慮購車，「國產電動車我看過五六款，確實很心動，還試駕了其中三款。」但開過新能源車的朋友，卻給她兜頭澆了一盆涼水：「等到了冬天，看你咋整。」夏銘說，她身邊也有打算買新能源車的朋友，考慮到冬天續航被「勸退」了。
中國汽車流通協會新能源分會秘書長章弘表示，在新能源汽車的發展過程中，需要更加關注電池耐寒性議題。
浙大團隊研發的鋰離子軟包電池。浙江大學供圖
最佳配方
超寬溫區，快速充電
記者在實驗室看到，鋰離子軟包電池外形像是一塊塊壓縮餅乾，不同電解液的「比值」卻能展現出不同的功能效應。
範修林說，電解液是電池中唯一與其它組件直接進行物理接觸的元素，在實際運作中很大程度上決定著電池的工作溫區、充放電倍率、循環穩定性及壽命。 「在鋰電池中要實現快充的突破，電解液至關重要，而傳統電解液中的鋰離子傳輸模式無法實現鋰離子的快速遷移。」他說。
所以，有沒有一種方式或是材料，能夠同時滿足鋰離子能高速移動，同時擁有超寬溫區呢？
經過4年的研究，浙大團隊最終確定了電解液的最佳配方。面對數萬種的溶劑，浙大團隊首次建立了一套溶劑篩選原則，用於篩選寬溫域內快速鋰離子動力學的潛在溶劑，進而將23種目標材料製作成電解液並應用於鋰電池，展開實證研究。
「我們發現在氟乙腈溶劑中，鋰離子與溶劑分子之間作用力弱，只需較少能量就能快速移動，在低溫情況下也能穩定移動。」四年心血，一朝功成，回想起來，範修林依舊有些激動。同時，尺寸小的溶劑分子，可以與鋰離子相互作用，形成連續的鋰離子運輸配體通道，促進鋰離子的快速傳輸動力學。
相關測試數據表明，浙大團隊提出的新型電解液25℃室溫下的離子電導率是商用電解液的4倍；在-70℃時高於商用電解液3個數量級以上。 「在同等條件下，我們設計的鋰離子電池，能夠實現充電10分鐘，達到八成充電量，展現出超快的離子傳輸行為。」範修林說，快充性能優異，也意味著低溫充放電性能較為優異，「在低溫下我們的電池也能展現出良好的性能」。
更大市場
因應商業化應用挑戰
一塊怕冷的鋰電池背後，折射的卻是新能源產業仍有待打開的更大市場。
被放大的"里程焦慮"，讓不少人對新能源汽車望而卻步。近年來，不少動力電池上下游企業花了大量精力提升電池在低溫情況下的使用效率。
第四屆「杭州工匠」、汽車專家韓晨洪表示，為了確保電池包的溫度，目前為新能源汽車加裝正溫度係數熱敏電阻加熱器（PTC）和熱泵是業界常用的方案。但採用熱泵和PTC兩種方式的能耗相差30%以上，PTC的耗電量大，對電動車冬季續航力影響大。採用這樣的外部加溫方案，意味著原本容量就衰減的電池需要在暖氣方面多耗電。此外，動力電池的半固態和固態電池等創新也在進行，都在致力於確保續航里程、安全性等要求下能夠大規模商業化應用。
多位從業人員向記者表示，鋰電池的電解液實現突破性創新，如果能實現大規模商業化應用，將產生極大的效益。但是，從實驗室的研究成果落地到商用，還有一段路要走。
範修林表示，比較目前的商用電解液，新型電解液具有更優異的倍率性能和低溫性能。由於電解液在寬溫域內的超快離子傳輸和穩定的電化學界面，未來的前景還是很可觀的。但他也指出，「在大規模商業化應用上，新型溶劑成本較高是較大的挑戰」。
他表示，研究成果可率先在極地科考、空間探測、海底勘探等極端溫度情況中應用。同時，他也表示，電解液的突破對鈉離子電池和鉀離子電池也十分有效，未來可用於更多場景，「例如應用於車載設備、電力通訊、公共安全、緊急救援、醫療電子、鐵路、船、機器人等領域。"
對未來，範修林很有信心："目前，我們團隊已經與相關企業進行緊密合作。"
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