美國研發出可在低溫下使用的鋰離子電池

美國研發出可在低溫下使用的鋰離子電池

賈旭平

近期，美國賓夕法尼亞州立大學和其衍生公司EC Power的研究者共同研發出一種全新的鋰離子電池——“全天候電池”(All-Climate Battery，ACB)，當氣溫處于0℃以下時，這種新型電池可以實現自身加熱，而不需要依靠外部加熱裝置或電解質添加劑。

鋰離子電池質量輕、能量密度高、無公害、無記憶效應，經過幾十年的發展已成為目前最常見的電池產品，無論是手機、筆記本電腦，還是電動汽車中都能看到它們的身影。但是眾所周知，極端氣溫在很大程度上可以干擾鋰離子電池的正常工作。目前，在防止鋰離子電池過熱或者著火方面，隨著科研力量的大量投入，解決該問題已經有了很大進展。但是，在過熱的另一端——極冷環境也會導致電量的大量流失，從而影響鋰離子電池的正常工作。研究者表示，傳統電池在零度以下會出現嚴重的功率損失，這會導致在寒冷天氣中充電時間的加長。“電池在零度以下性能降低是一個長期存在的問題，”賓夕法尼亞州立大學教授Chao-Yang Wang說道，“這對于手機和筆記本電腦可能不是什么問題，但卻對電動汽車、無人機、室外機器人和太空應用產生嚴重影響。”

目前，電動汽車生產商已經采取了多種舉措應對極端溫度對電池的影響。比如，在2010年，福特汽車公司就宣布全電動福克斯(Focus)將配置熱管理系統。該熱管理系統通過使用熱量或者加入冷卻劑，并注入電池系統從而達到控制溫度的效果。但總體而言，低溫環境依舊對電動汽車電池性能提出了很大的挑戰。

在賓夕法尼亞州立大學 (Penn State University)科研人員眼中，他們更關注如何保證電動汽車電池在高寒環境中正常工作方面，以期減少使用者的焦慮。在高寒地區或者低溫條件下，電動汽車電池電量流失可能導致充電緩慢、影響反饋制動系統(regenerative braking)以及縮短高達40%的續航里程。賓夕法尼亞州立大學解決此問題的方法是：通過改變傳統鋰離子電池的結構破解了這一難題。在鋰離子電池中加入了通電后能發出熱量的鎳箔(nickel foil)。鎳箔一端連接負極，另一端則擴展至電池外部以創建第三極。連接至電池轉換開關的溫度傳感器使電荷流經鎳箔，從而產生電流。當檢測到溫度在零度以下時，該傳感器便會引導電子穿過鎳箔以產生熱量，讓電池內部開始升溫。這也使得鎳箔可以通過電阻加熱使得電池內部迅速升溫。經過特殊的設計，只要環境溫度低于0℃，電池中一部分電流就會改變流向，流過鎳箔，產生熱量，像一片能反復利用的“暖寶寶”一樣為電池保暖；而一旦電池內部溫度超過0℃，流向“暖寶寶”的電流就會被切斷，讓電池恢復到普通工作狀態。

圖1 全天候示意圖

圖1為全天候鋰離子電池的示意圖。該電池除了三個電池必備的元件(負極、正極和電解液)外，研究人員還加入了第四個元件——50 mm厚的鎳箔，其有兩個極耳，分別連接一個端子。兩個極耳間的電阻在室溫下為56 mΩ，這樣可以保持電池電壓大約為2 V，既能防止固體電解質界面膜的分解，又能防止銅箔的氧化。鎳箔的一個極耳與負極端子電連接，并與所有負極層的極耳焊接在一起。另一個極耳延伸到電池外部成為第三個端子，即激活端子，可用來激活電池在低溫下的內部加熱電路。激活端子和負極端子之間由一開關連接。當電池激活自加熱時，開關為打開狀態，電子必須流經鎳箔，產生歐姆熱，其可以迅速加熱電池的核心。一旦電池的內部溫度達到或超過0℃，即能促使電化學界面產生充放電高功率，從而完成激活過程，開關關閉。當全天候電池在室溫下工作時，激活端子和負極端子之間的開關會保持關閉，這樣電子就可以繞開鎳箔，使全天候電池變成一個內阻非常低、功率很高的傳統鋰離子電池。激活端子和負極端子之間的開關可由電池的表面溫度控制。圖1(b)為電池激活時電壓和表面溫度的關系，之后7.5 Ah的電池在－20℃以1C放電。放電過程中，電池釋放出了足夠高的電壓，這表明電池在整個激活過程及放電過程中均未受到電壓衰降的影響。

全天候電池的另一個重要特點是高功率，一旦激活后電池材料和電化學界面溫度達到0℃，電池即可釋放出高功率。圖2為全天候電池和普通鋰離子電池的功率特性對比。

圖2 全天候電池和普通鋰離子電池的功率特性對比

研究人員還表示，盡管其他材料也可以作為電阻加熱元件，但鎳卻憑借低成本、高效率以及實用的特點成為最合適的解決方案。

當全天候電池對自身進行加熱時，僅需20秒便可將溫度從－20℃提升至0℃，而從－30℃加熱至0℃則在30秒之內即可完成，兩種溫度環境下所消耗的電量分別為3.8%和5.5%。當處于－30℃的溫度環境下，電池荷電狀態(即剩余電量)在50%左右時，全天候自加熱電池單元產生的放電量可達到1 061 W/kg，再生電量達到1 425 W/kg，釋放的電量約為普通鋰離子電池單元的6.4～12.3倍。科研人員指出，與常規鋰離子電池在低溫條件下電量流失40%的情況相比，這是非常大的進步。而且，賓夕法尼亞大學研發的電池僅比常規鋰離子電池重1.5%，成本高0.04%。研究人員指出，全天候電池可以讓發動機啟停技術發揮更大的作用，并提升5%～10%的燃油經濟性。

由于全天候電池自身完成加熱所消耗的電池能量微乎其微，因此除普通的消費電子產品外，對于電動車車主而言，其可以有效解決冬季電池不耐用帶來的續航里程焦慮問題。另外，其也為機器人技術研發和太空探索的應用提供了有利條件。

EC Power公司強調稱，其希望到2017年將電池加熱(從－20℃加熱至0℃)時間控制在5秒以內，并將電池電量損耗降至1%。