隨著全球清潔能源革命的持續(xù)推進(jìn)，鋰離子電池憑借其高能量密度、長(zhǎng)壽命、無(wú)記憶效應(yīng)和低自放電率等優(yōu)勢(shì)，需求激增，呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。尤其在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，鋰離子電池已成為綠色出行的時(shí)尚標(biāo)志。
但不可否認(rèn)，鋰離子電池的充電速度、工作溫度、安全性依舊是制約電動(dòng)汽車進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。
浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院范修林研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于鋰離子電池研究。近期，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)并驗(yàn)證了一套新型極端電解液設(shè)計(jì)原則，打破了傳統(tǒng)的鋰離子傳輸模式，并為具備特殊物化性質(zhì)的電解液開辟了一條全新的研究途徑。基于此理念，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一款新型電解液，不僅能夠支持高比能鋰離子電池在-70℃到60℃的超寬溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行可逆地充放電，還可以使得高能量密度鋰離子電池在10分鐘內(nèi)完成快速充放電。
圖片研究中的鋰離子軟包電池
這項(xiàng)研究于北京時(shí)間2月29日刊發(fā)在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》。論文第一作者為浙江大學(xué)陸迪博士研究生和李如宏研究員，通訊作者為范修林研究員、美國(guó)馬里蘭大學(xué)王春生教授和美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的胡恩源教授，并受到浙大陳立新教授、范利武長(zhǎng)聘副教授、肖學(xué)章副教授以及中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所王建平研究員和馬里蘭大學(xué)鄧濤博士（現(xiàn)為上海交大中英低碳研究院副教授）的大力支持。浙大為第一單位和最后通訊單位。
鋰電池快速充電及低溫性能難點(diǎn)在哪里？
鋰電池要實(shí)現(xiàn)快充，意味著在整個(gè)體系中鋰離子都要實(shí)現(xiàn)快速的遷移。
目前認(rèn)為，鋰離子在電解液及電解液-電極界面膜中的遷移為整個(gè)過(guò)程中的速度控制步驟。而界面膜又是電解液原位生成的，與電解液的性質(zhì)密切相關(guān)。
綜合來(lái)講，在鋰離子電池中要實(shí)現(xiàn)快充的突破，電解液的特性至關(guān)重要。
圖片
范修林科研團(tuán)隊(duì)
為此，范修林團(tuán)隊(duì)選擇了從電解液這塊“空白區(qū)”下手。當(dāng)然這里的難度也是可想而知，要讓鋰離子電解液同時(shí)具備有效的電解液-電極界面膜、寬溫域內(nèi)高離子電導(dǎo)率和快速離子傳輸動(dòng)力學(xué)，這對(duì)于此前已有研究的電解液來(lái)說(shuō)都是不可能實(shí)現(xiàn)的。
這是因?yàn)殡娊庖旱母唠x子電導(dǎo)率需要溶劑具備高鋰離子溶劑化能，而生成無(wú)機(jī)的電解液-電極界面膜需要電解液溶劑具有低鋰離子溶劑化能，所以目前的電解液不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高離子電導(dǎo)率和陰離子衍生的電解液-電極界面膜。
由此，范修林團(tuán)隊(duì)朝著“不可能”開展長(zhǎng)達(dá)4年的研究。
室溫快充僅需十分鐘，低溫性能還優(yōu)異
面對(duì)幾萬(wàn)種的溶劑，浙大團(tuán)隊(duì)首次建立了一套溶劑篩選原則，用于篩選寬溫域內(nèi)快速鋰離子動(dòng)力學(xué)的潛在溶劑，進(jìn)而將23種目標(biāo)材料，制作成電解液并應(yīng)用于鋰電池，展開實(shí)證研究。記者在實(shí)驗(yàn)室看到研究中的鋰離子軟包電池，如同一塊塊壓縮餅干，卻能展現(xiàn)出不同的功能效應(yīng)。
圖片
溶劑篩選策略。（a）溶劑化鞘體積與溶劑化能關(guān)系圖；（b）溶劑化鞘體積與離子傳輸能壘關(guān)系圖
在一次次實(shí)驗(yàn)中，浙大科研人員提出并驗(yàn)證了一種“配體通道促進(jìn)傳輸”機(jī)制，建立了離子在電解液和固態(tài)電解質(zhì)中傳輸?shù)慕y(tǒng)一框架，最終確定了電解液的最佳配方。
圖片
電解液中離子傳輸行為。（a）介質(zhì)傳輸；（b）結(jié)構(gòu)傳輸；（c）配體通道促進(jìn)傳輸
相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，浙大提出的新型電解液在25℃室溫下的離子電導(dǎo)率是商用電解液的4倍；在-70℃時(shí)高于商用電解液3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。“在同等條件下，我們?cè)O(shè)計(jì)的鋰離子電池，能夠?qū)崿F(xiàn)充電10分鐘，達(dá)到八成充電量，展現(xiàn)出超快的離子傳輸行為。”快充性能優(yōu)異，也意味著低溫充放電性能較為優(yōu)異，“在低溫下我們的電池也能展現(xiàn)出良好的性能”。
圖片
不同電解液的離子電導(dǎo)率。其中所篩選出的FAN電解液體系的離子電導(dǎo)率在整個(gè)溫區(qū)（+60℃ — -70℃）都遠(yuǎn)高于其他體系
浙大電池，離新質(zhì)生產(chǎn)力有多遠(yuǎn)？
談及未來(lái)應(yīng)用方向，范修林研究員認(rèn)為當(dāng)前電池成本還比較高，可以率先在極地科考、空間探測(cè)、海底勘探等極端溫度情況中應(yīng)用。
而隨著電解液技術(shù)的不斷攻關(guān)迭代，范修林研究員對(duì)新型鋰離子電池裝配到新能源汽車很有信心。“目前，我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與相關(guān)企業(yè)開展緊密合作。”
“我們的電解液設(shè)計(jì)原則不僅對(duì)極端工況下鋰電池有效，隨著研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)其對(duì)鈉離子電池和鉀離子電池也十分有效。”范修林研究員說(shuō)，“這也將讓科研成果聚焦國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，更好服務(wù)‘雙碳’目標(biāo)，推動(dòng)能源綠色低碳發(fā)展。”
但不可否認(rèn)，鋰離子電池的充電速度、工作溫度、安全性依舊是制約電動(dòng)汽車進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。
浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院范修林研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于鋰離子電池研究。近期，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)并驗(yàn)證了一套新型極端電解液設(shè)計(jì)原則，打破了傳統(tǒng)的鋰離子傳輸模式，并為具備特殊物化性質(zhì)的電解液開辟了一條全新的研究途徑。基于此理念，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一款新型電解液，不僅能夠支持高比能鋰離子電池在-70℃到60℃的超寬溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行可逆地充放電，還可以使得高能量密度鋰離子電池在10分鐘內(nèi)完成快速充放電。
圖片研究中的鋰離子軟包電池
這項(xiàng)研究于北京時(shí)間2月29日刊發(fā)在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》。論文第一作者為浙江大學(xué)陸迪博士研究生和李如宏研究員，通訊作者為范修林研究員、美國(guó)馬里蘭大學(xué)王春生教授和美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的胡恩源教授，并受到浙大陳立新教授、范利武長(zhǎng)聘副教授、肖學(xué)章副教授以及中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所王建平研究員和馬里蘭大學(xué)鄧濤博士（現(xiàn)為上海交大中英低碳研究院副教授）的大力支持。浙大為第一單位和最后通訊單位。
鋰電池快速充電及低溫性能難點(diǎn)在哪里？
鋰電池要實(shí)現(xiàn)快充，意味著在整個(gè)體系中鋰離子都要實(shí)現(xiàn)快速的遷移。
目前認(rèn)為，鋰離子在電解液及電解液-電極界面膜中的遷移為整個(gè)過(guò)程中的速度控制步驟。而界面膜又是電解液原位生成的，與電解液的性質(zhì)密切相關(guān)。
綜合來(lái)講，在鋰離子電池中要實(shí)現(xiàn)快充的突破，電解液的特性至關(guān)重要。
圖片
范修林科研團(tuán)隊(duì)
為此，范修林團(tuán)隊(duì)選擇了從電解液這塊“空白區(qū)”下手。當(dāng)然這里的難度也是可想而知，要讓鋰離子電解液同時(shí)具備有效的電解液-電極界面膜、寬溫域內(nèi)高離子電導(dǎo)率和快速離子傳輸動(dòng)力學(xué)，這對(duì)于此前已有研究的電解液來(lái)說(shuō)都是不可能實(shí)現(xiàn)的。
這是因?yàn)殡娊庖旱母唠x子電導(dǎo)率需要溶劑具備高鋰離子溶劑化能，而生成無(wú)機(jī)的電解液-電極界面膜需要電解液溶劑具有低鋰離子溶劑化能，所以目前的電解液不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高離子電導(dǎo)率和陰離子衍生的電解液-電極界面膜。
由此，范修林團(tuán)隊(duì)朝著“不可能”開展長(zhǎng)達(dá)4年的研究。
室溫快充僅需十分鐘，低溫性能還優(yōu)異
面對(duì)幾萬(wàn)種的溶劑，浙大團(tuán)隊(duì)首次建立了一套溶劑篩選原則，用于篩選寬溫域內(nèi)快速鋰離子動(dòng)力學(xué)的潛在溶劑，進(jìn)而將23種目標(biāo)材料，制作成電解液并應(yīng)用于鋰電池，展開實(shí)證研究。記者在實(shí)驗(yàn)室看到研究中的鋰離子軟包電池，如同一塊塊壓縮餅干，卻能展現(xiàn)出不同的功能效應(yīng)。
圖片
溶劑篩選策略。（a）溶劑化鞘體積與溶劑化能關(guān)系圖；（b）溶劑化鞘體積與離子傳輸能壘關(guān)系圖
在一次次實(shí)驗(yàn)中，浙大科研人員提出并驗(yàn)證了一種“配體通道促進(jìn)傳輸”機(jī)制，建立了離子在電解液和固態(tài)電解質(zhì)中傳輸?shù)慕y(tǒng)一框架，最終確定了電解液的最佳配方。
圖片
電解液中離子傳輸行為。（a）介質(zhì)傳輸；（b）結(jié)構(gòu)傳輸；（c）配體通道促進(jìn)傳輸
相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，浙大提出的新型電解液在25℃室溫下的離子電導(dǎo)率是商用電解液的4倍；在-70℃時(shí)高于商用電解液3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。“在同等條件下，我們?cè)O(shè)計(jì)的鋰離子電池，能夠?qū)崿F(xiàn)充電10分鐘，達(dá)到八成充電量，展現(xiàn)出超快的離子傳輸行為。”快充性能優(yōu)異，也意味著低溫充放電性能較為優(yōu)異，“在低溫下我們的電池也能展現(xiàn)出良好的性能”。
圖片
不同電解液的離子電導(dǎo)率。其中所篩選出的FAN電解液體系的離子電導(dǎo)率在整個(gè)溫區(qū)（+60℃ — -70℃）都遠(yuǎn)高于其他體系
浙大電池，離新質(zhì)生產(chǎn)力有多遠(yuǎn)？
談及未來(lái)應(yīng)用方向，范修林研究員認(rèn)為當(dāng)前電池成本還比較高，可以率先在極地科考、空間探測(cè)、海底勘探等極端溫度情況中應(yīng)用。
而隨著電解液技術(shù)的不斷攻關(guān)迭代，范修林研究員對(duì)新型鋰離子電池裝配到新能源汽車很有信心。“目前，我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與相關(guān)企業(yè)開展緊密合作。”
“我們的電解液設(shè)計(jì)原則不僅對(duì)極端工況下鋰電池有效，隨著研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)其對(duì)鈉離子電池和鉀離子電池也十分有效。”范修林研究員說(shuō)，“這也將讓科研成果聚焦國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，更好服務(wù)‘雙碳’目標(biāo)，推動(dòng)能源綠色低碳發(fā)展。”
