张正成博士是储能领域的顶尖科学家，拥有 20 多年的经验。他领导美国阿贡国家实验室在下一代锂离子电池及其他领域的有机能源材料创新研究。张博士于2000年在北京获得中国科学院化学研究所高分子化学博士学位，并于2000年至2005年在威斯康星大学麦迪逊分校继续从事博士后和助理科学家的研究。他曾在 QuallionLLC担任高级电池工程师，然后于 2007 年调到阿贡国家实验室。）

美国的科学家们近日开发出了一种新型且更安全的电解质，这种电解质使锂离子电池在零度以下的环境中能够与室温环境下一样顺畅工作。这一突破可能解决了电动汽车（EV）在极冷天气下可能面临的电池性能下降问题。

当前的锂离子电池存在一大难题，那就是液态电解质。作为电池的核心部分，液态电解质在电池的两个电极之间传输带电荷的粒子（离子），实现电池的充电和放电。然而，当温度低于零度时，液态电解质会开始冻结，这严重限制了电动汽车在寒冷地区和季节的充电效率。

为了解决这个问题，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的科研团队开发出了一种能在低温环境下良好运行的含氟电解质。阿贡国家实验室团队的领导者John Zhang表示：“我们的团队不仅发现了一种防冻电解质，其充电性能在零下四华氏度（约-20℃）下依然保持不变，我们还在原子水平上揭示了其如此高效的原因。”

这种新型电解质有望应用于电动汽车电池，以及电网和消费电子产品的储能领域。

在现有的锂离子电池中，电解质是由六氟磷酸锂和碳酸酯溶剂（例如碳酸乙酯）混合而成。这种溶剂可以溶解盐形成液体，当电池充电时，液态电解质会将锂离子从阴极运输到阳极。这些离子会从阴极移动出来，然后穿过电解质进入阳极。在穿越电解质的过程中，它们会位于由四到五个溶剂分子形成的簇的中心。

在电池的初始几次充电过程中，这些分子簇会撞击阳极表面，并形成一个叫做固态电解质界面的保护层。一旦形成，这层保护层就像一个过滤器，它只允许锂离子穿越，而阻挡了溶剂分子。因此，阳极在充电过程中能够将锂原子储存在石墨结构中。在放电过程中，电化学反应会从锂中释放电子，产生的电力为车辆提供动力。

然而，问题在于在低温环境中，含碳酸酯溶剂的电解质会开始冻结，导致其无法将锂离子在充电过程中传输到阳极。这是因为锂离子在溶剂簇内部紧密结合，因此，这些离子需要比在室温下更高的能量才能分散这些簇并穿透界面层。因此，科学家们一直在寻找更好的溶剂。

研究小组研究了多种含氟溶剂，他们发现了一种在零度以下环境中从分子簇中释放锂离子能量最低的成分。他们还在原子级别上确定了为什么这种特定的组合物效果如此之好：这取决于每个溶剂分子内氟原子的位置和数量。

在实验室测试中，该团队发现，这种氟化电解质在零下四华氏度（约-20℃）环境下进行了400次充放电循环后，其储能能力依然保持稳定。即使在零度以下的环境中，其容量也与在室温下使用传统碳酸盐电解质的电池的容量相当。

Zhang表示：“因此，我们的研究展示了如何通过调整电解质溶剂的原子结构，设计出适用于零度以下环境的新电解质。”

这种防冻电解质还有一个额外的特性：它不会起火。

Zhang说：“我们正在为我们的低温且更安全的电解质申请专利，并正在寻找工业合作伙伴，以使其适应他们的锂离子电池设计之一。”

以下是对美国媒体《techbriefs》对John Zhang的采访。

问：是什么启发了您的研究？

Zhang：我们认识到低温是一个巨大的挑战。在地球的一些地区，低温情况非常严重，因此在这种情况下，电池会遭受到巨大的容量下降和功率下降。这就是我们要面对的挑战。我们收到了一份针对该领域的研究征集提案，因此，这就是我们研发低温电解质的原因。

问：您能简单地解释一下该技术的工作原理吗？

Zhang：在零下四华氏度（约-20℃）的环境下，电池会发生什么？您首先想到的是液体电解质，它会被冻结。一旦冻结，液态离子将无法移动，或者移动得非常慢。锂离子的传输阻力非常高，而传输锂离子是支持电化学反应的基本步骤。

因此，在室温下，电解质处于液态，锂离子可以非常快速地转移。但一旦温度降至零度以下，这个过程就会显著减少。我们称之为超电势。例如，如果充电至4.2伏，那么可以得到满电量。但在低温下，充电50%就能达到4.2伏，实际的电量只有一半。这就是我们要解决的问题。我们发现酯基溶剂的熔点非常低，这意味着在极低的温度下，它们仍然保持液态而不会冻结。

然而，我们不能直接使用市售的酯，因为它们对石墨烯具有非常高的反应性，因此它们无法形成非常好的固态电解质界面（SEI）。这是一层分解的电解质产物覆盖在石墨烯表面，让锂穿过SEI，到达石墨烯一侧，进行正常的充电和放电。为了解决这个问题，我们在酯溶剂中引入了氟。我们发现，一种特定的氟化酯溶剂最适合低温应用。

这种溶剂具有极低的熔点，并且可以溶解锂盐，而锂盐具有非常高的电导率。因此，这可以实现低温性能。

这是一个重大发现，但后来我们意识到单纯的液体酯还不够好。因此，我们必须开发定制的添加剂来与液体酯结合。我们制定了所谓的联合添加剂策略。只有两种添加剂。它在低温下表现非常好。我们没有遇到容量下降、停电或低温的问题。我们还发现这种电解液不会起火。所以，它是非常安全和合适的。

问：您说过该团队正在为电解质申请专利，并且现在正在寻找工业合作伙伴以使其适应他们的锂离子电池设计之一。进展如何？

Zhang：文件已经由律师正式备案，并已向专利局提交。

问：除了专利和寻找合作伙伴之外，您的下一步计划是什么？您还有进一步的研究或工作计划吗？

Zhang：我们还有一些工作要做，特别是在低温方面，我们也在尝试看看这个系统有没有什么可以进一步改进的地方。因此，针对低温应用的研究正在进行中，我们几乎全力以赴地探索一些全新的想法。