科學家提出鈉離子電池極端低溫電解液設計策略

發展極端低溫電池對于寒冷氣候下人類活動以及極寒條件下太空探索和深海研究具有重要意義。然而，低溫下的電解液尤其是水系電解液存在易凍結的問題，阻礙了電池在低溫下應用。H₂O-solute相圖存在三類典型的溫度參數——冰點（T_f）、共晶溫度（T_e）、玻璃化轉變溫度（T_g）。傳統的低溫防凍電解液設計策略一般聚焦于調控電解液的T_f，但T_f無法準確反映出電解液的防凍低溫極限，僅通過調控T_f來設計防凍電解液，限制了高性能極端低溫電池的開發。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員胡勇勝和副研究員陸雅翔，聯合中國科學院過程工程研究所研究員趙君梅、香港中文大學教授盧怡君，基于對H₂O-solute相圖的深入研究以及大量差示掃描量熱數據的歸納總結，提出了極端低溫電解液的新型設計策略，實現了性能優異的極低溫水系鈉離子電池。這一電池的能量密度可達80Wh/kg，循環壽命可達5000周，運行溫區為-85℃至25℃。

該團隊基于對H₂O-solute相圖的研究發現，T_e決定電解液的熱力學防凍低溫極限，而T_g則決定電解液的動力學防凍低溫極限，且只有在強過冷能力電解液體系中才能夠在T_e和T_g之間保持足夠長時間的過冷液態。因此，該研究提出了設計低T_e和強過冷能力的防凍電解液是實現極端低溫電池的重要路徑。進一步，基于對大量H₂O-salt和H₂O-solvent體系差示掃描量熱數據的總結歸納以及多溶質體系比單溶質體系具有更低T_e的共識，該團隊提出了設計極端低溫水系電解液的通用策略，也就是低T_e和強過冷能力的防凍電解液可以通過引入具有高陽離子勢的鹽或者高溶劑給體數的共溶劑構建多溶質體系來實現。該策略是基于相圖的普適性特點而提出的，因此預期在未來可應用于極端低溫非水系電解液的設計。

以鈉離子電池的低溫水系電解液設計為例，該研究通過引入高陽離子勢的鹽和高溶劑給體數溶劑，設計了一系列鈉基的極端低溫防凍電解液并實現了極低的T_e和T_g。基于防凍電解液，組裝的NaFeMnHCF/H₅₀EG₅₀-2m NaCF₃SO₃/NaTi₂(PO₄)₃電池室溫下能量密度80Wh/kg，8C倍率下循環5000周后容量保持率為70%，可以在-60℃至25℃之間正常工作，并在-70℃下點亮LED燈。組裝的NaFeMnHCF/1m NaClO₄+4m Ca(ClO₄)₂/PTCDI電池室溫下能量密度65.7 Wh/kg，4C倍率下循環250周循環容量保持91.1%，且所組裝的10mAh軟包電池能夠在-85℃至25℃之間正常工作。?

上述研究對極端低溫電解液的設計工作具有指導作用。相關研究成果以Rational design of anti-freezing electrolytes for extremely low-temperature aqueous batteries為題，發表在《自然-能源》（Nature Energy）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院、香港研究資助局以及北京市、江蘇省等的支持。