新型“全氣候電池”可使電動(dòng)車在極寒酷熱環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行

當(dāng)前電池技術(shù)在低溫環(huán)境下會(huì)電力衰減，高溫時(shí)則面臨穩(wěn)定性問題。

賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員提出了一種新型鋰離子電池設(shè)計(jì)方案，有望解決標(biāo)準(zhǔn)鋰電池在極端溫度下長(zhǎng)期存在的性能與穩(wěn)定性問題。這種被稱為“全氣候電池”（ACB）的設(shè)計(jì)，旨在修正標(biāo)準(zhǔn)鋰電池的核心缺陷 —— 原有設(shè)計(jì)僅針對(duì)25℃左右或略高的環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。

這正是當(dāng)前電池技術(shù)難以滿足電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心及極端環(huán)境應(yīng)用需求的原因：低溫時(shí)電力衰減，高溫時(shí)又面臨熱失控風(fēng)險(xiǎn)。

“如今電池已被集成到電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心和大型高負(fù)荷系統(tǒng)中，這種對(duì)穩(wěn)定溫度的苛刻要求已成為制造商的棘手難題。”該項(xiàng)目首席研究員、機(jī)械工程與化學(xué)工程教授王朝陽指出。他強(qiáng)調(diào)，解決鋰電池的這一根本設(shè)計(jì)缺陷對(duì)推進(jìn)大功率系統(tǒng)發(fā)展至關(guān)重要。

目前采用的解決方案（笨重且耗能的外置加熱冷卻系統(tǒng)）效率低下，僅能支持-30℃至45℃的有限工作范圍。

雙策略設(shè)計(jì)突破瓶頸

研究團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新的雙策略設(shè)計(jì)，突破了低溫運(yùn)行與高溫穩(wěn)定性不可兼得的困局。他們計(jì)劃通過兩種技術(shù)路徑改造電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

首先調(diào)整電極和電解液以提升耐高溫性能，特別是替換傳統(tǒng)鋰電池中使用的揮發(fā)性液態(tài)電解質(zhì)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性與安全性。

其次在電池內(nèi)部增加由鎳箔（厚度約10微米）構(gòu)成的加熱膜。該加熱器由電池自身供電，可在低溫環(huán)境下快速升溫以提升性能，從而無需為兼顧低溫運(yùn)行而犧牲材料穩(wěn)定性。

王朝陽解釋道，將熱管理功能內(nèi)置可節(jié)省空間、降低能耗、減少維護(hù)需求。對(duì)于使用數(shù)千塊電池的大型設(shè)施（如數(shù)據(jù)中心），這將實(shí)現(xiàn)顯著的成本節(jié)約。

超寬溫域應(yīng)用前景

全氣候電池預(yù)計(jì)可在-50℃至75℃的超寬溫域內(nèi)穩(wěn)定工作，使得鋰電池可應(yīng)用于沙漠設(shè)備、極地設(shè)備等此前被認(rèn)為不可行的場(chǎng)景。

王朝陽教授表示，通過持續(xù)研發(fā)測(cè)試，全氣候電池有望在70℃至85℃高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。這一進(jìn)步將有力支撐數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車等高能耗系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)模。

“社會(huì)對(duì)電力依賴的程度持續(xù)加深，且毫無減緩跡象。”王朝陽總結(jié)道，“隨著人工智能、數(shù)據(jù)中心、高端無人機(jī)、電動(dòng)汽車等高能耗技術(shù)的不斷發(fā)展，我們必須持續(xù)革新為其供能的電池技術(shù)。”

該項(xiàng)研究已于11月5日發(fā)表于《焦耳》期刊。

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