许多电动汽车的车主担心他们的电池在非常寒冷的天气下是否有效。现在，一种新的电池化学物质可能解决了这个问题。

在目前的锂离子电池中，主要的问题在于液体电解质。这个关键的电池组件在电池的两个电极之间传递被称为离子的携带电荷的粒子，导致电池充电和放电。但液体在零度以下开始结冰。这种情况严重限制了电动汽车在寒冷地区和季节充电的有效性。

a)从碳酸盐过渡到氟化酯的溶剂设计方案。b) EA、EA-f、f-EA和f-EA-f中羰基的原子电荷分析。

(图片来源:wiley onlinelibrary)

为了解决这个问题，来自美国能源部阿贡国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的一组科学家开发了一种含氟电解质，即使在零度以下的温度下也能表现良好。

“因此，我们的研究展示了如何定制电解质溶剂的原子结构，以设计适用于零度以下温度的新电解质。——John Zhang, Argonne小组组长

“我们的团队不仅发现了一种防冻电解质，其充电性能在零下4华氏度时不会下降，而且我们还发现，在原子水平上，是什么使它如此有效，”阿贡化学科学与工程部门的高级化学家和小组负责人郑成“约翰”张说。

这种低温电解质有望用于电动汽车电池，以及电网和消费电子产品(如电脑和手机)的能量存储。

在今天的锂离子电池中，电解质是一种广泛使用的盐(六氟磷酸锂)和碳酸盐溶剂(如碳酸乙烯)的混合物。溶剂把盐溶解成液体。

当电池充电时，液态电解质将锂离子从阴极(含锂的氧化物)输送到阳极(石墨)。这些离子从阴极迁移出来，然后通过电解液进入阳极。当通过电解质运输时，它们位于四到五个溶剂分子簇的中心。

在最初的几次充电中，这些团簇撞击阳极表面并形成一层称为固体-电解质界面的保护层。一旦形成，这一层就像一个过滤器。它只允许锂离子通过该层，同时阻挡溶剂分子。通过这种方式，阳极能够将锂原子存储在带电石墨的结构中。放电时，电化学反应会从锂中释放电子，产生可以为汽车提供动力的电力。

问题是，在低温下，含有碳酸盐溶剂的电解质开始冻结。因此，它失去了将锂离子输送到带电荷的阳极的能力。这是因为锂离子在溶剂团簇内紧密结合。因此，这些离子需要比室温下高得多的能量来疏散它们的簇并穿透界面层。因此，科学家们一直在寻找一种更好的溶剂。

该小组研究了几种含氟溶剂。他们能够确定在零下温度下从团簇中释放锂离子的能量垒最低的成分。他们还在原子尺度上确定了为什么这种特殊的成分如此有效。这取决于氟原子在每个溶剂分子中的位置和它们的数目。

在实验室电池测试中，该团队的氟化电解质在零下4华氏度的400次充放电循环中保持了稳定的储能能力。即使在零下的温度下，其容量也相当于在室温下使用传统碳酸基电解质的电池。

“因此，我们的研究展示了如何调整电解质溶剂的原子结构，以设计适用于零下温度的新电解质，”张说。

这种防冻电解质有一个额外的特性。它比目前使用的碳酸盐电解质安全得多，因为它不会着火。

张说:“我们正在为我们的低温和更安全的电解质申请专利，现在正在寻找一个工业合作伙伴，将其应用于他们的锂离子电池设计之一。”

这项研究发表在《先进能源材料》杂志上。除了张约翰之外，阿贡国家实验室的作者还有俞东柱、刘谦和金敏奎。伯克利实验室的作者是Orion Cohen和Kristin Persson。

这项工作是由美国能源部能源效率和可再生能源办公室、汽车技术办公室资助的。