加州大學聖地亞哥分校 (UCSD)的工程團隊近日研發了一種新型鋰離子電池，不僅在嚴寒和酷熱的溫度下表現良好，同時仍能儲存大量能量。研究人員表示之所以具備如此好的特性，主要歸功於全新開發的電解質。這種電解質不僅能在很寬的溫度範圍內用途廣泛且堅固耐用，而且兼容高能陽極和陰極。
這項成果於 7 月 4 日發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS) 上，基於這項技術開發的車用電池即使在寒冷氣候下也能讓電動汽車行駛更遠。加州大學聖地亞哥分校雅各布斯工程學院納米工程學教授、該研究的資深作者鄭晨（Zheng Chen，音譯）說，它們還可以減少對冷卻系統的需求，以防止車輛的電池組在炎熱氣候下過熱。
Chen 解釋說：“如果你需要在三位數（華氏）的高溫條件下開車，那麼對於汽車電池來說是一個重大挑戰。在電動汽車中，電池組通常位於底盤，更靠近這些炎熱的道路。此外，電池在運行過程中會因電流通過而升溫。如果電池不能承受這種高溫預熱，它們的性能將迅速下降”。
在測試中，概念驗證電池在 -40°C 和 50°C（-40 和 122°F）下分別保留了 87.5% 和 115.9% 的能量容量。在這些溫度下，它們還分別具有 98.2% 和 98.7% 的高庫侖效率，這意味着電池在停止工作之前可以進行更多的充電和放電循環。
由於其獨特的電解質，Chen 和同事開發的電池既耐寒又耐熱。它由二丁醚與鋰鹽混合而成的液體溶液製成。二丁基醚的一個特點是其分子與鋰離子的結合較弱。換句話說，當電池運行時，電解質分子很容易釋放鋰離子。研究人員在之前的一項研究中發現，這種微弱的分子相互作用可以提高電池在零下溫度下的性能。另外，二丁醚很容易吸收熱量，因為它在高溫下保持液態（沸點為 141 °C 或 286 °F）。
這種電解質的另一個特別之處在於它與鋰硫電池兼容，鋰硫電池是一種可充電電池，其陽極由鋰金屬製成，陰極由硫製成。鋰硫電池是下一代電池技術的重要組成部分，因為它們承諾更高的能量密度和更低的成本。它們每公斤存儲的能量是當今鋰離子電池的兩倍——這可以使電動汽車的續航里程增加一倍，而不會增加電池組的重量。此外，與傳統鋰離子電池陰極中使用的鈷相比，硫的來源更豐富且問題更少。
但鋰硫電池也存在問題。陰極和陽極都具有超強反應性。硫正極非常活潑，以至於它們在電池運行期間會溶解。這個問題在高溫下會變得更糟。鋰金屬陽極容易形成稱為枝晶的針狀結構，可以刺穿電池的某些部分，導致電池短路。結果，鋰硫電池只能持續數十次循環。
Chen 說：“如果你想要一個能量密度高的電池，你通常需要使用非常苛刻、複雜的化學物質。高能量意味着更多的反應正在發生，這意味着穩定性更低，降解更多。製造穩定的高能電池本身就是一項艱巨的任務——試圖在很寬的溫度範圍內做到這一點更具挑戰性”。