天氣寒冷的時候，有些在室外活動的人們可能會發(fā)現(xiàn)，手機的電量怎么蹭蹭地掉？剛剛還20%的電，怎么幾分鐘手機就自動關機了？這是因為，鋰電池在低溫下會面臨相當嚴重的功率損失。

　　為了解決這個問題，我和我的團隊開發(fā)出了一種全新的鋰電池技術——全氣候電池（AllClimateBatteriesTM），革命性地突破了鋰電池在低溫下性能的局限。該技術于近日發(fā)表于頂級學術期刊《自然》1。

　　“全氣候電池”也許能幫助在低溫下效率比較低的鋰電池提升性能。圖片來源：論文作者

　　天一冷，鋰電池也要“罷工”？

　　鋰電池工作時，Li+會在正極和負極之間移動，而低溫會讓鋰離子電池中的Li+活性降低。簡單來說，本來鋰電池是有電的，但由于低溫讓Li+“跑不動”了，就會讓電池的可用電量下降：我空有一堆大貨車，奈何只能用驢拉呀。

　　當溫度回升，鋰電池里的Li+活性恢復正常，之前“不能用”的那些電量也就恢復了。所以去過寒冷地區(qū)拍攝的人應該知道這個小秘訣：相機經(jīng)常用一會就沒電了怎么辦？你可以把電池捂在懷里，給它溫暖，它就能恢復電量。然后再沒電，再捂，如此循環(huán)……

　　盡管有這樣那樣的“秘訣”，但鋰電池在低溫下的低效率的確是個挺大的問題。鋰電池廣泛應用于各工業(yè)和大眾生活的各個角落，也是解決環(huán)境問題的重要工具。它們的能量密度和功率性能在低溫下大大降低，嚴重限制了其在低溫環(huán)境中的應用。

　　另外，除了沒法在寒冷的氣候和高海拔地區(qū)使用，鋰電池的“不耐寒”還會極大地影響到電動汽車的電池組的使用范圍。電動汽車的電池組體積龐大，你可沒法用“捂起來溫暖”這一招。其低溫下?lián)p失的功率可能需要更多的電池組來彌補，還需要更昂貴的部件讓發(fā)動機“冷起動”。在寒冷的天氣中，充電也會變得緩慢，這限制了電動車的“再生制動”，并縮小汽車的行駛范圍。據(jù)統(tǒng)計，電動汽車在0度環(huán)境下的續(xù)航里程只有正常里程的一半。

　　那么，有解決的辦法嗎？

　　“全氣候電池”，能自加熱的電池

　　我是ECPower公司的創(chuàng)始人、也是賓州州立大學的教授。我們的團隊一直在致力于解決這個問題。我們發(fā)明的這種“全氣候電池”，能夠在低于零攝氏度時進行“自加熱”。這一過程并不需要外部加熱設備的幫助，也不需要在電解質(zhì)里添加特別的添加劑。

　　全氣候電池在內(nèi)部插入了一片很薄很薄的鎳片（a圖黃色部分），用很少量的電池能量對電池進行自加熱，極大地提高了鋰電池在低溫下的效率。圖片來源：研究論文1

　　一直以來，鋰電池在低溫下的局限性是工業(yè)界一直致力于解決的問題。此前的各類技術往往系統(tǒng)復雜、成本高昂，并會損害電池在常溫和高溫下性能。我們的團隊也研究了許多種電池的加熱方式，最后發(fā)現(xiàn)用全氣候電池技術直接加熱到電池的電化學界面是最有效、直接的方法。

　　全氣候電池巧妙地對電池結(jié)構做出細微調(diào)整，在電池內(nèi)部插入極薄鎳片，使得電池在低溫下迅速自加熱，有效地提升電池溫度。在發(fā)現(xiàn)電池溫度上升到可用范圍后，它又會自動停止加熱，以免造成更多的能量損失。此項技術能將鋰電池在-30℃下的功率提高10倍以上，同時不減弱電池在常溫下的性能和壽命。

　　我們的這項技術通過了嚴格的檢測。其中包括500次的低溫加熱測試，1000次45度高溫循環(huán)測試，以及高達2600次的常溫循環(huán)測試，沒有發(fā)現(xiàn)任何電池壽命的問題。此外，ECPower公司擁有成熟的全氣候電池生產(chǎn)能力，已在實現(xiàn)商業(yè)化。

　　ECPower公司制造的全氣候鋰電池。圖片來源：論文作者

　　?鑒于電池能夠在寒冷天氣下自行加熱，我和我的團隊希望，未來“全氣候電池”能夠幫助更多的電動汽車應對寒冷的條件限制。除了電動汽車，它還可能運用在高緯度地區(qū)的作業(yè)無人機、野外電子設備上等等。另外我們還設想了“全氣候電池”在空間探索上的可能應用。

　　作者：王朝陽

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