鈉金屬電池獲重要突破 中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)解決“低溫焦慮”
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的重要因素，而電池是一種基于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝置，因此電池的性能時(shí)常受到溫度的影響。這也間接導(dǎo)致了大部分電池，受限于低溫環(huán)境下反應(yīng)物的活化能降低，容易出現(xiàn)充不進(jìn)電、續(xù)航能力差等問(wèn)題。可以說(shuō)，電池的“低溫焦慮”是現(xiàn)階段影響電池發(fā)展的一個(gè)重要難題，并且間接導(dǎo)致了許多依賴(lài)電池的設(shè)備無(wú)法在低溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)用性受限。
而在電池家族中，鈉電池的“低溫焦慮”又尤為明顯。
鈉金屬電池是一種基于鈉金屬作為負(fù)極的電池，具有能量密度高、安全性強(qiáng)、資源貯備豐富且原材料成本低等優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，鈉金屬電池的工作溫度范圍也相對(duì)較寬，理論上能夠適應(yīng)更多的極端溫度。但這卻并沒(méi)有讓它適應(yīng)低溫環(huán)境。
由于鈉金屬電池的工作原理與鋰離子電池類(lèi)似，都需要離子通過(guò)在正負(fù)極間的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放，因此工作過(guò)程中同樣需要電解液作為媒介。而常用的商業(yè)電解液大多為碳酸酯基電解液，這種電解液低溫下易凝固，一旦開(kāi)始凝固，電池的充放電性能也會(huì)受到影響。這也就導(dǎo)致了鈉金屬電池同樣無(wú)法在低溫環(huán)境下正常使用。
針對(duì)這一難題，中國(guó)科學(xué)家給出了答案。近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所研究員吳曉東、河海大學(xué)教授許晶晶與中國(guó)科學(xué)院物理所研究員李泓等合作，一種新型電解液能讓鈉金屬電池在低溫和快速充電條件下展現(xiàn)出優(yōu)異性能。
據(jù)悉，該研究自2018年便開(kāi)始進(jìn)行“鋰鈉金屬電池新型電解液”的研究。團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入具有強(qiáng)電負(fù)性的氟原子，以此來(lái)降低電解液溶劑分子周?chē)碾娮釉泼芏?，削弱溶劑分子與鈉離子之間的相互作用，從而降低鈉離子從溶劑分子中脫離的難度，加快鈉離子在電極表面的沉積速度。之后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算分析了溶劑分子的物化性質(zhì)，確定了溶劑化結(jié)構(gòu)，并利用X-射線光電子能譜、飛行時(shí)間-二次離子質(zhì)譜和電化學(xué)性能等技術(shù)，分析了不同位點(diǎn)所進(jìn)行的氟代分子的調(diào)控行為，最終確定了新型電解液的成分2，2-二氟乙酸乙酯(DFEA)。
測(cè)試結(jié)果顯示，使用該電解液的鈉金屬電池能夠在-20°C的低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)1500小時(shí)以上的穩(wěn)定循環(huán)，能夠在-40°C的低溫環(huán)境，穩(wěn)定循環(huán)150圈。其重要性和創(chuàng)新性達(dá)到該領(lǐng)域的前5%。
目前相關(guān)的研究成果已發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》，相信隨著研究的不斷推進(jìn)，鈉金屬電池會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)走進(jìn)我們的生活，為我們帶來(lái)便利。
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