一種新型鋰離子電池既可以在零下 40°C 的低溫下工作，也可以在 50°C 的高溫下工作。這種新型電池陰極使用硫製作，電池可以儲存更多的能量。這是來自加州大學聖地亞哥分校（UCSD）的一項新研究。
這種電池可以增加電動汽車在寒冷溫度下的行駛里程。此外，它們還可以用於衛星、航天器、高空無人機和潛艇。UCSD 奈米工程教授陳政（Zheng Chen）表示：透過大幅擴充套件鋰電池的可操作視窗，我們可以為電動汽車之外的應用提供更強大的電化學物質。
目前來看，電池用石墨陽極和鋰金屬氧化物陰極，這種組合不能很好地處理極端溫度。高溫會加劇電池內部本已高度活躍的化學環境，引發分解電解質和其他電池材料的副反應，導致不可逆轉的損害。與此同時，低溫會使液體電解質變稠，所以鋰離子在其中緩慢移動，導致電能損耗和充電緩慢。
對電池進行絕緣或從內部加熱的方法有助於解決低溫問題。研究人員之前還對電解質進行設計以擴大電池溫度範圍，但這可以提高低溫或高溫下的效能，而不是同時提高效能。
陳政教授團隊的研究《Solvent selection criteria for temperature-resilient lithium–sulfur batteries》刊登在了 7 月 5 日的《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，他們表示新型耐極端溫度電池的核心是找到一種新電解質。他們透過將鋰鹽溶解在二丁醚溶劑中來製造電解質。與現有的用於電池的碳酸乙烯溶劑不同，新材料在零下 100°C 的溫度下不會結冰，也不容易蒸發。此外，其溶劑分子與鋰離子結合較弱，所以鋰離子在其中移動更自由，即使在冰點溫度下。
UCSD 團隊透過將硫附著在塑膠基材上來解決硫陰極降解問題。同時，新的電解質允許鋰離子的均勻傳輸，因此它們沒有機會粘在一起並形成枝晶。
在團隊測試中，原型電池持續了 200 次迴圈，並在 -40°C 下還能保持超過 87% 的原始容量。在 50°C 時，電池的容量增加了 15%，陳政教授表示，因為更高的溫度會增加電荷轉移和鋰離子透過電解質並擴散到電極上，因而推動了電池容量和能量極限 。
該研究的第一作者、UCSD 奈米工程博士後研究員 Guorui Cai 準備了一個電池袋電池（battery pouch cell），用於在低於冰點的溫度下進行測試。
這種電解質的另一個特別之處在於它與鋰硫電池相容，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，因為這種電池具有更高的能量密度和更低的成本。它們每公斤儲存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。
但鋰硫電池存在另一些問題——其陰極和陽極都過於活躍。硫正極非常活潑，以至於它們在電池執行期間會溶解。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。因此，鋰硫電池只能持續數十次迴圈。
「如果你想要一個能量密度高的電池，你通常需要使用非常精確、複雜的化學物質，」陳政說道。「高能量意味著更多的反應正在發生，這意味著穩定性更低，降解更多。製造穩定的高能電池本身就是一項艱鉅的任務——試圖在很寬的溫度範圍內做到這一點更具挑戰性。」
UCSD 研究小組開發的二丁醚電解質可以防止這些問題，即使在高溫和低溫下也是如此。他們測試的電池比典型的鋰硫電池具有更長的迴圈壽命。「我們的電解質有助於改善陰極和陽極側，同時提供高導電性和介面穩定性，」陳政介紹說。
該團隊還透過將硫陰極接枝到聚合物上來設計更穩定的硫陰極。這可以防止更多的硫溶解到電解液中。
接下來的步驟包括擴大電池化學成分，最佳化它以在更高的溫度下工作，並進一步延長迴圈壽命。
UCSD 奈米工程教授陳政。
容量的增加不一定是一件好事，因為這同時也會使電池負擔過重。為了解決這個問題，研究人員必須進一步改進電池的化學成分，以便它能夠維持更多的充電週期。他們還計劃透過更多的細胞工程來提高能量密度。目前，新電池的密度僅比今天的鋰離子電池略高一點，與鋰硫理論上的承諾相差無幾。「我們至少可以將能量密度提高 50%，」陳政表示。「這就是希望，這就是承諾。」
參考內容：
https://spectrum.ieee.org/too-hot-too-cold-not-for-these-lithium-batteries
https://scitechdaily.com/new-lithium-ion-batteries-that-work-well-in-scorching-heat-and-extreme-cold/