可以大幅改善鋰離子電池和超級(jí)電容器這些電化學(xué)儲(chǔ)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(jí)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(tuán)隊(duì)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(zhì)液化之后用做電解質(zhì)的溶劑系統(tǒng)。通常認(rèn)為，常溫常壓下的氣態(tài)物質(zhì)通常是非極性的，分子間作用力很低，這阻止了它們?cè)谑覝叵乱夯?，甚至在冷卻、加壓后液態(tài)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(duì)鋰鹽表現(xiàn)出良好的溶解性，以此類液化氣體為溶劑的電解質(zhì)比標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)更耐低溫。

 

研究者首先要證明這些液化氣體適合做電解質(zhì)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，氟甲烷（FM）和二氟甲烷（DFM）相比常規(guī)電解質(zhì)溶劑四氫呋喃（THF）和碳酸乙烯酯（EC）有更好的化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，由于它們的粘度非常低，在這些溶劑中離子遷移率會(huì)相當(dāng)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(dǎo)電性，即使是在極端寒冷的環(huán)境下。”Rustomji說(shuō)。此外，這些溶劑很容易達(dá)到超臨界點(diǎn)，超臨界相的零表面張力為其提供了優(yōu)異的潤(rùn)濕性，更容易進(jìn)入材料的納米孔道。

 

接下來(lái)，研究者考察了基于這些液化氣體溶劑的電解質(zhì)的電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)證明，TBAPF6溶解于二氟甲烷后具有較高的電導(dǎo)率。研究者測(cè)試了其電化學(xué)穩(wěn)定性及其在超級(jí)電容器中的性能。相比于乙腈，液化二氟甲烷溶劑在低溫下展示出極大的優(yōu)勢(shì)，適用溫度范圍可以從零下80攝氏度至零上60攝氏度，并且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

 

二氟甲烷電化學(xué)穩(wěn)定性及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用。

 

金屬鋰存在庫(kù)侖效率差、枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題，而使用低粘度的溶劑能有效提高金屬鋰的循環(huán)穩(wěn)定性并抑制鋰枝晶的形成。研究者采用氟甲烷（添加少量CO2，促進(jìn)LiF和Li2CO3為主要成分的固體電解質(zhì)界面膜形成）做溶劑，將基于碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯（EC/DEC）系統(tǒng)的傳統(tǒng)鋰離子電池的工作溫度低限從零下10攝氏度直接拓展到零下60攝氏度。C/10倍率下，基于液化氣體電解質(zhì)的鋰離子電池在零下40攝氏度幾乎沒(méi)有容量衰減，零下60攝氏度的容量衰減也只有40%。而且，室溫性能與常規(guī)鋰離子電池相比并不遜色。

 

氟甲烷電化學(xué)穩(wěn)定性及其在鋰離子電池中的應(yīng)用。

 

“電解質(zhì)是提高下一代的儲(chǔ)能設(shè)備性能的主要瓶頸，”Rustomji說(shuō)，“液體電解質(zhì)已經(jīng)得到了充分的研究，許多人正在把注意力轉(zhuǎn)向固態(tài)電解質(zhì)。而我們冒險(xiǎn)地選擇了不同的道路，探索了基于氣體的電解質(zhì)的應(yīng)用。”

 

“當(dāng)Rustomji提出這個(gè)想法時(shí)，我起初認(rèn)為他瘋了，這個(gè)方法太脫離現(xiàn)實(shí)了。”Meng教授半開(kāi)玩笑地說(shuō)。“幸虧有機(jī)構(gòu)愿意冒險(xiǎn)來(lái)資助這類高風(fēng)險(xiǎn)高回報(bào)的想法。”

 

除了能夠提高鋰離子電池和超級(jí)電容器在低溫下的性能，這種電解質(zhì)還帶來(lái)了另一個(gè)安全性上的好處——電池永不會(huì)過(guò)熱。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，電解質(zhì)中的鹽類溶解度就會(huì)下降，導(dǎo)電性降低，電池就會(huì)停止工作；而冷卻下來(lái)之后，電解質(zhì)中鹽類溶解度又會(huì)恢復(fù)，然后電池就能重新正常工作。“這是一個(gè)自帶的防止電池過(guò)熱的安全機(jī)制。