大冬天在北方寒風凜冽的室外用手機，上一分鐘還有幾格電，下一分鐘就直接關機……這場景熟悉不熟悉？手機在低溫下罷工的原因絕大部分還是在電池上。鋰離子電池工作時，鋰離子（Li+）會在正極和負極之間移動，所謂“搖椅式”鋰離子電池嵌鋰脫鋰機理，而低溫下Li+ 活性降低，從而影響電池正常工作。簡單的說，原本電池是有電的，但溫度太低讓Li+ “凍成狗”，Li+ 跑不動了電池的可用電量也就下降了。這種情況下把手機在懷里焐一會兒，然后再用，或許能救一時之急。手機個頭小好說，像是電動汽車這類大家伙，萬一在低溫下罷工了，又該怎么辦呢？
鋰離子“跑步”機理。圖片來自網絡
近日，美國加州大學圣地亞哥分校（UCSD）的Y. Shirley Meng教授課題組在Science 上發表文章，報道了一種全新的“液化氣”電解質策略，可以大幅改善鋰離子電池和超級電容器這些電化學儲能器件在低溫下的性能。其中，鋰離子電池的工作溫度拓展到零下60攝氏度且不影響室溫性能，而超級電容器的工作溫度范圍則拓展到零下80攝氏度至零上65攝氏度。
Meng教授團隊所用的“液化氣”并不是通常做飯用的液化石油氣，她們將二氟甲烷、氟甲烷等常溫常壓下的氣體物質液化之后用做電解質的溶劑系統。通常認為，常溫常壓下的氣態物質通常是非極性的，分子間作用力很低，這阻止了它們在室溫下液化，甚至在冷卻、加壓后液態下溶解鹽的能力。而極性氣體如二氟甲烷在低溫或中等壓力下，就可以液化，并且對鋰鹽表現出良好的溶解性，以此類液化氣體為溶劑的電解質比標準電解質更耐低溫。
研究者首先要證明這些液化氣體適合做電解質溶劑。作者篩選了6種液化氣體：氟甲烷（FM）、二氟甲烷（DFM）、氟乙烷（FE）、1,1-二氟乙烷（1,1-DFE）、1,1,1,2-四氟乙烷（1,1,1,2-TFE）、2-氟丙烷（2-FP）。結果發現，氟甲烷（FM）和二氟甲烷（DFM）相比常規電解質溶劑四氫呋喃（THF）和碳酸乙烯酯（EC）有更好的化學穩定性。同時，由于它們的粘度非常低，在這些溶劑中離子遷移率會相當高。“低粘度意味著較高的離子遷移率，這意味著電池或電容器具有高導電性，即使是在極端寒冷的環境下。”Rustomji說。此外，這些溶劑很容易達到超臨界點，超臨界相的零表面張力為其提供了優異的潤濕性，更容易進入材料的納米孔道。
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