我们发明了“不怕冷”的锂电池

我要评论 2016-01-26来源:果壳网作者:果壳网

  天气寒冷的时候,有些在室外活动的人们可能会发现,手机的电量怎么蹭蹭地掉?刚刚还20%的电,怎么几分钟手机就自动关机了?这是因为,锂电池在低温下会面临相当严重的功率损失。

  为了解决这个问题,我和我的团队开发出了一种全新的锂电池技术——全气候电池(All Climate BATteries TM), 革命性地突破了锂电池在低温下性能的局限。该技术于近日发表于顶级学术期刊《自然》1。

  

  “全天候电池”也许能帮助在低温下效率比较低的锂电池提升性能。图片来源:论文作者

  天一冷,锂电池也要“罢工”?

  锂电池工作时,Li+会在正极和负极之间移动,而低温会让锂离子电池中的Li+活性降低。简单来说,本来锂电池是有电的,但由于低温让Li+“跑不动”了,就会让电池的可用电量下降:我空有一堆大货车,奈何只能用驴拉呀。

  当温度回升,锂电池里的Li+活性恢复正常,之前“不能用”的那些电量也就恢复了。所以去过寒冷地区拍摄的人应该知道这个小秘诀:相机经常用一会就没电了怎么办?你可以把电池捂在怀里,给它温暖,它就能恢复电量。然后再没电,再捂,如此循环……

  尽管有这样那样的“秘诀”,但锂电池在低温下的低效率的确是个挺大的问题。锂电池广泛应用于各工业和大众生活的各个角落,也是解决环境问题的重要工具。它们的能量密度和功率性能在低温下大大降低,严重限制了其在低温环境中的应用。

  另外,除了没法在寒冷的气候和高海拔地区使用,锂电池的“不耐寒”还会极大地影响到电动汽车的电池组的使用范围。电动汽车的电池组体积庞大,你可没法用“捂起来温暖”这一招。其低温下损失的功率可能需要更多的电池组来弥补,还需要更昂贵的部件让发动机“冷起动”。在寒冷的天气中,充电也会变得缓慢,这限制了电动车的“再生制动”,并缩小汽车的行驶范围。据统计,电动汽车在0度环境下的续航里程只有正常里程的一半。

  那么,有解决的办法吗?

  “全天候电池”,能自加热的电池

  我是EC Power公司的创始人、也是宾州州立大学的教授。我们的团队一直在致力于解决这个问题。我们发明的这种“全气候电池”,能够在低于零摄氏度时进行“自加热”。这一过程并不需要外部加热设备的帮助,也不需要在电解质里添加特别的添加剂。

  

  全气候电池在内部插入了一片很薄很薄的镍片(a图黄色部分),用很少量的电池能量对电池进行自加热,极大地提高了锂电池在低温下的效率。图片来源:研究论文1

  一直以来,锂电池在低温下的局限性是工业界一直致力于解决的问题。此前的各类技术往往系统复杂、成本高昂,并会损害电池在常温和高温下性能。我们的团队也研究了许多种电池的加热方式,最后发现用全气候电池技术直接加热到电池的电化学界面是最有效、直接的方法。

  全气候电池巧妙地对电池结构做出细微调整,在电池内部插入极薄镍片,使得电池在低温下迅速自加热,有效地提升电池温度。在发现电池温度上升到可用范围后,它又会自动停止加热,以免造成更多的能量损失。此项技术能将锂电池在-30℃下的功率提高10倍以上,同时不减弱电池在常温下的性能和寿命。

  我们的这项技术通过了严格的检测。其中包括500次的低温加热测试, 1000次45度高温循环测试,以及高达2600次的常温循环测试,没有发现任何电池寿命的问题。此外,EC Power公司拥有成熟的全气候电池生产能力,已在实现商业化。

  

  EC Power公司制造的全气候锂电池。图片来源:论文作者

  鉴于电池能够在寒冷天气下自行加热,我和我的团队希望,未来“全气候电池”能够帮助更多的电动汽车应对寒冷的条件限制。除了电动汽车,它还可能运用在高纬度地区的作业无人机、野外电子设备上等等。另外我们还设想了“全气候电池”在空间探索上的可能应用。(编辑:Jerrusalem)

  参考文献:

  Chao-Yang Wang, Guangsheng Zhang, Shanhai Ge, Terrence Xu, Yan Ji, Xiao-Guang Yang & Yongjun Leng. Lithium-Ion Battery Structure that Self-Heats at Low Temperatures. Nature. January 20, 2016. dx.doi.org/10.1038/nature16502

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