“不怕冷”的锂电池

　　天气寒冷的时候，有些在室外活动的人们可能会发现，手机的电量怎么蹭蹭地掉？刚刚还20%的电，怎么几分钟手机就自动关机了？这是因为，锂电池在低温下会面临相当严重的功率损失。

　　为了解决这个问题，我和我的团队开发出了一种全新的锂电池技术——全气候电池（AllClimateBatteriesTM），革命性地突破了锂电池在低温下性能的局限。该技术于近日发表于顶级学术期刊《自然》1。

　　“全气候电池”也许能帮助在低温下效率比较低的锂电池提升性能。图片来源：论文作者

　　天一冷，锂电池也要“罢工”？

　　锂电池工作时，Li+会在正极和负极之间移动，而低温会让锂离子电池中的Li+活性降低。简单来说，本来锂电池是有电的，但由于低温让Li+“跑不动”了，就会让电池的可用电量下降：我空有一堆大货车，奈何只能用驴拉呀。

　　当温度回升，锂电池里的Li+活性恢复正常，之前“不能用”的那些电量也就恢复了。所以去过寒冷地区拍摄的人应该知道这个小秘诀：相机经常用一会就没电了怎么办？你可以把电池捂在怀里，给它温暖，它就能恢复电量。然后再没电，再捂，如此循环……

　　尽管有这样那样的“秘诀”，但锂电池在低温下的低效率的确是个挺大的问题。锂电池广泛应用于各工业和大众生活的各个角落，也是解决环境问题的重要工具。它们的能量密度和功率性能在低温下大大降低，严重限制了其在低温环境中的应用。

　　另外，除了没法在寒冷的气候和高海拔地区使用，锂电池的“不耐寒”还会极大地影响到电动汽车的电池组的使用范围。电动汽车的电池组体积庞大，你可没法用“捂起来温暖”这一招。其低温下损失的功率可能需要更多的电池组来弥补，还需要更昂贵的部件让发动机“冷起动”。在寒冷的天气中，充电也会变得缓慢，这限制了电动车的“再生制动”，并缩小汽车的行驶范围。据统计，电动汽车在0度环境下的续航里程只有正常里程的一半。

　　那么，有解决的办法吗？

　　“全气候电池”，能自加热的电池

　　我是ECPower公司的创始人、也是宾州州立大学的教授。我们的团队一直在致力于解决这个问题。我们发明的这种“全气候电池”，能够在低于零摄氏度时进行“自加热”。这一过程并不需要外部加热设备的帮助，也不需要在电解质里添加特别的添加剂。

　　全气候电池在内部插入了一片很薄很薄的镍片（a图黄色部分），用很少量的电池能量对电池进行自加热，极大地提高了锂电池在低温下的效率。图片来源：研究论文1

　　一直以来，锂电池在低温下的局限性是工业界一直致力于解决的问题。此前的各类技术往往系统复杂、成本高昂，并会损害电池在常温和高温下性能。我们的团队也研究了许多种电池的加热方式，最后发现用全气候电池技术直接加热到电池的电化学界面是最有效、直接的方法。

　　全气候电池巧妙地对电池结构做出细微调整，在电池内部插入极薄镍片，使得电池在低温下迅速自加热，有效地提升电池温度。在发现电池温度上升到可用范围后，它又会自动停止加热，以免造成更多的能量损失。此项技术能将锂电池在-30℃下的功率提高10倍以上，同时不减弱电池在常温下的性能和寿命。

　　我们的这项技术通过了严格的检测。其中包括500次的低温加热测试，1000次45度高温循环测试，以及高达2600次的常温循环测试，没有发现任何电池寿命的问题。此外，ECPower公司拥有成熟的全气候电池生产能力，已在实现商业化。

　　ECPower公司制造的全气候锂电池。图片来源：论文作者

　　?鉴于电池能够在寒冷天气下自行加热，我和我的团队希望，未来“全气候电池”能够帮助更多的电动汽车应对寒冷的条件限制。除了电动汽车，它还可能运用在高纬度地区的作业无人机、野外电子设备上等等。另外我们还设想了“全气候电池”在空间探索上的可能应用。

　　作者：王朝阳

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