由中國汽車工程學會編制的《節能與新能源汽車技術路線圖 2.0》指出，“到 2035 年，中國汽車產業應基本實現電動化轉型。新能源汽車將逐漸成為主流產品，市場占比將超過 50%，燃料電池汽車保有量將達到 100 萬輛左右。”

目前，盡管電動汽車的普及率在逐年攀升，但續航能力差、充電時間長、高/低溫下性能衰減快及安全性問題，始終制約著電動汽車的進一步發展。

特別是電池的問題，始終是電動汽車的“老大難”。目前，市面上主流的鋰離子電池在常規工作條件下的表現出色，但在極端條件下的性能卻不盡如人意，這主要是由于目前電解液的局限性造成的。

比如，基于碳酸酯的商用電解液在大約 -30℃ 的低溫下就會凝固，導致電池無法正常工作 。其電壓窗口只能在 4.3 伏以內，并且易燃，極易形成安全隱患。

為了克服上述缺陷，美國馬里蘭大學化學與生物分子工程系教授、極端電池研究中心主任王春生團隊進行了大量的相關研究。最近，他們提出一種全新的電解液設計方法，將鋰離子電池的工作溫區從（-20℃，+50℃）擴展到（-60℃，+60℃）。

值得關注的是，該研究與工業界關聯密切，在無需改變現有的電池材料和制備流程的前提下，只需要使用該新型電解液就能實現電池性能在各種極端條件下的全面提升，包括顯著提升電池在極端條件下的耐溫性、能量密度、快充性能、安全性。

圖丨相關論文（來源：Nature） 2023 年 2 月 9 日，相關論文以《極端工作條件下鋰離子電池的電解液設計》（Electrolyte design for Li-ion batteries under extreme operating conditions）為題發表在Nature 上[1]。 馬里蘭大學化學與生物分子工程系助理研究員徐吉健為論文的第一作者，王春生教授、美國陸軍實驗室奧列格·鮑羅丁（Oleg Borodin）博士為該論文的共同通訊作者。 徐吉健表示：“想讓鋰離子電池在極端條件下實現最佳性能，不僅要拓寬電池的工作溫區，還應兼顧充電效率、電壓窗口和安全性。因此，這次的新研究可以說是電池領域的一次重大突破。” 這種基于軟溶劑的電解液的全新設計方法，平衡了鋰離子溶劑的相互作用、鹽的溶解和電解質界面層。這使得電池的優異能能同時兼具了寬溫區充放電能力（±60℃）、更高電壓（≥4.5 伏）、快速充電（≤15 分鐘）、更安全的 NMC811|| 石墨電池。

圖丨電解質的物理特性和 MD 計算結果（來源：Nature） 在實驗過程中，研究團隊還發現，通過合理的電解液設計能夠減少電池在低溫條件下的容量衰減。通常來說，電動汽車鋰離子動力電池的性能隨溫度的降低而下降，在 -10℃ 時，容量和工作電壓會顯著地降低。尤其是在 -20℃ 時，性能的衰退更明顯，在該溫度下其只能保持室溫容量的 30% 左右。 該課題組設計的新型電解質，使 4.5 伏 NMC811|| 石墨電池在超低溫（-50℃）環境中，仍可提供 75% 的室溫容量。“即便電池的工作溫度降低到 -60℃，也能保留超過一半的室溫容量。”徐吉健說。

圖｜電解質的設計方法（來源：Nature） 那么，這種基于軟溶劑的電解液設計方法究竟是如何起作用的呢？ 首先，該方法的核心是篩選具有較低施主數（小于 10）和高介電常數（大于 5）的溶劑，從而保證鋰鹽的解離，同時最大限度地減小鋰離子脫溶劑化能。 其次，研究人員將一種共溶劑成分添加至電解液，由于這種共溶劑具有高還原電位，進而在正極和負極形成相似的富含氟化鋰的界面層，并促進正極和負極上的相似的嵌鋰/脫鋰動力學。 第三，利用分子動力學模擬，篩選出能夠最大程度減小整體和界面阻抗的軟溶劑和共溶劑分子，從而實現快速充放電。 最后，通過匹配正極和負極的熱力學（容量）和動力學（阻抗），從而讓 NMC811|| 石墨電池可實現快充和寬溫區充放電，而不產生鋰沉積。

為驗證相關概念，該團隊進行了實驗。結果證明，1 MLiTFSI MDFA/MDFSA-TTE 電解液，能夠在極端條件下實現負極和正極的容量和阻抗匹配。 面容量逾 2.5 mAh cm2 的 4.5 伏 NMC811|| 石墨全電池在寬溫度范圍內（-60 °C 至 +60 °C）能實現穩定工作。并且，軟包電池即便在 -30℃、300 次循環時，仍能實現超過 83% 的電池容量，其平均庫倫效率在 99.9% 以上。 下一步，課題組將進一步設計電解液，以減少電荷轉移的阻力，而不損害離子傳導性。進一步提高電解液的離子電導，從而改善倍率性能，實現更好的快充性能。 據悉，這項研究的合作單位包括美國陸軍實驗室、羅格斯大學、新澤西州立大學、布魯克海文國家實驗室。

審核編輯 ：李倩