浙大6C快充登Nature：10分鐘高速充放，漠河寒冬也不怕
超寬溫域，穩定，高性能
曹原 發自 副駕寺
智能車參考|公眾號AI4Auto
鋰離子電池新突破來了！
應用新電解液的液態鋰電池，10分鐘內能完成充放電，室溫下離子電導率提高4倍。
同時還擁有超寬工作溫域，下至-70℃上至60℃，就算是漠河的魔鬼天氣，都能穩定工作。
這項新研究成果來自浙江大學，論文已登Nature。
新鋰離子電解液：10分鐘快速充放
隨著氣溫逐漸回暖，“電動爹”開始沒那么難伺候。
雖說各新能源車企為了保證冬季續航使出渾身解數，但低溫環境下，鋰電池化學反應變慢，甚至極低溫度時電解液凍結，電池性能下降是不爭的事實。
并且除了低溫，高溫環境同樣會影響液態鋰離子電池的工作速率。
這其中一個重要因素就是電解質。
眾所周知，電池充放電的速率和鋰離子在電池中移動的速度有關。
以低溫環境為例，當環境溫度低于-20℃時，電解液黏度增加（也就是逐漸凝固的過程），導致鋰離子移動速度下降，即鋰離子電導率下降。
同時，因為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，也就是SEI膜。
雖然SEI膜可以防止電解液的溶劑分子進入損壞電極，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。
但浙江大學團隊提出的這種電解液，基于FAN氟乙腈，從-70℃到60℃，都能保證很高的離子導電率。
比如在-70℃，FAN電解質的電池也能達到11.9mS/cm的高離子電導率，高于傳統碳酸鹽電解質四個數量級以上，超越該態離子電導率最高的電解質。
并且還具有穩定性。在60℃，以6C的速率進行充放電循環，使用FAN電解液的鋰離子電池，循環600次后電池容量還保持在80%。
而在電池容量均為1.2Ah時，無論是多次循環還是溫度降至-80℃，只有使用FAN電解液的鋰離子電池還能夠提供一定的可逆容量。
即使是在一般情況，即25°C時，使用FAN電解液的電池最高實現40.3mS/cm的超高離子電導率，高于典型電解液四倍多。
也就是說，這種新型電解液讓鋰離子電池具備超寬工作溫域的同時，還能保證穩定、循環工作，性能和傳統碳酸鹽電解液相比有很大提升。
團隊表示，在同等條件下，使用FAN電解液的電池可以實現充電10分鐘，電量充到80%，快充性能優異。
那么，為什么是FAN電解質？
配體通道促進傳輸機制
想要在極端溫度情況下保證電池性能，也就是保證鋰離子的移動，或者說傳導速率，那么首先需要了解的是現有傳導方式的優缺點。
當前在碳酸鹽電解液中，鋰離子主要有兩種傳導方式，載體傳輸（Vehicular Transport）和結構傳輸（Structural Transport），或稱跳躍傳輸（Hopping Transport）。
載體傳輸時，溶劑分子在鋰離子外形成一個溶劑化鞘（solvation sheath），這個復合物整體包著鋰離子在電解液中移動，相當于一個載體帶著鋰離子。
也就是說，在載體傳輸時，鋰離子的移動速度取決于溶劑化鞘的移動速度。
結構傳輸則是鋰離子在溶劑分子和陰離子之間跳躍，從而進行移動，鋰離子的移動速度則取決于電解液的濃度。
而載體傳輸雖然能在低濃度電解液中實現高離子導電性，并且能夠形成穩定的SEI膜，但是低溫、電解液濃度過高會讓溶劑化鞘移動速度下降，降低鋰離子傳導速度。
結構傳輸則在高濃度電解液中更有效，并且在某些情況下，鋰離子的高速移動還會破壞SEI膜，影響電池性能。
所以，有沒有一種方式或者是材料，能夠同時滿足鋰離子能高速移動，同時擁有寬工作溫域呢？
浙大團隊在篩選溶劑時，發現FAN，即氟乙腈溶劑同時具有低溶劑化能，低鋰離子傳輸能壘和小分子尺寸溶劑的特點。
△來源：浙江大學也就是說，在FAN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。
同時溶劑分子尺寸小，溶劑化鞘小，可以與鋰離子相互作用并調節溶劑化結構，形成連續的鋰離子運輸配體通道，促進鋰離子的化學反應。
團隊由此提出配體通道促進傳輸機制的概念，并引入傳輸指數（TI）這一參數，來量化鋰離子的傳輸行為。
當TI=0時，鋰離子傳輸通過載體傳輸方式；當TI=1時，鋰離子則通過結構傳輸；而在一種電解質的TI等于0.5時，該電解質能明顯促進配體通道傳輸。
團隊認為，TI可以作為設計具有超離子態理想電解質的有效參數。
浙大團隊不僅發現了FAN這種能實現寬工作溫域、高穩定性、高性能的電解液材料，還提出衡量電解液離子傳導能力的新參數。
研究團隊介紹
論文研究團隊主要來自浙江大學，并且不乏教學科研經歷兼備的資深教授、研究員。
第一作者為浙江大學材料科學與工程學院陸迪博士，和李如宏研究員。
△右一：陸迪，來源：浙江大學李如宏博士畢業于哈爾濱工業大學，后來到浙江大學開展博士后研究工作。
現在是浙江大學杭州國際科創中心創新研究院研究員、博士生導師，已經發表SCI論文60余篇，被引超過1200次。
其他作者Ling Lv、Yiqiang Huang、Chuangchao Sun、Shuoqing Zhang、Haikuo Zhang、Junbo Zhang、Sheng Yang、陳立新教授、范利武長聘副教授、肖學章副教授也均來自浙江大學。
另外，還有來自美國橡樹嶺國家實驗室的Muhammad Mominur Rahman博士，中國科學院的Pengyun Yu、王建平研究員，以及馬里蘭大學鄧濤博士。
本文的通訊作者包括三位，來自浙大的范修林研究員，馬里蘭大學王春生教授和布魯克海文國家實驗室的胡恩源教授。
△范修林范修林研究員特別指出，這種FAN電解液材料制造的電池成本還比較高，可以先應用于極地科考、空間探測、海底勘探等極端溫度情況。
不過隨著電解液技術的迭代，范修林研究員認為這種鋰離子電池足夠應用進新能源汽車，并且團隊已經和相關企業展開合作。
等到真的大規模上車的那一天，即使在冬天，電動車也不會是輕易掉電、續航打折的“電動爹”了。
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