美國研發(fā)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(xué)和其衍生公司EC Power的研究者共同研發(fā)出一種全新的鋰離子電池——“全天候電池”(All-Climate Battery，ACB)，當(dāng)氣溫處于0℃以下時，這種新型電池可以實(shí)現(xiàn)自身加熱，而不需要依靠外部加熱裝置或電解質(zhì)添加劑。

鋰離子電池質(zhì)量輕、能量密度高、無公害、無記憶效應(yīng)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已成為目前最常見的電池產(chǎn)品，無論是手機(jī)、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(jīng)有了很大進(jìn)展。但是，在過熱的另一端——極冷環(huán)境也會導(dǎo)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(tǒng)電池在零度以下會出現(xiàn)嚴(yán)重的功率損失，這會導(dǎo)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(xué)教授Chao-Yang Wang說道，“這對于手機(jī)和筆記本電腦可能不是什么問題，但卻對電動汽車、無人機(jī)、室外機(jī)器人和太空應(yīng)用產(chǎn)生嚴(yán)重影響。”

目前，電動汽車生產(chǎn)商已經(jīng)采取了多種舉措應(yīng)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?？怂?Focus)將配置熱管理系統(tǒng)。該熱管理系統(tǒng)通過使用熱量或者加入冷卻劑，并注入電池系統(tǒng)從而達(dá)到控制溫度的效果。但總體而言，低溫環(huán)境依舊對電動汽車電池性能提出了很大的挑戰(zhàn)。

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

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(fù)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(zhì)界面膜的分解，又能防止銅箔的氧化。鎳箔的一個極耳與負(fù)極端子電連接，并與所有負(fù)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(nèi)部加熱電路。激活端子和負(fù)極端子之間由一開關(guān)連接。當(dāng)電池激活自加熱時，開關(guān)為打開狀態(tài)，電子必須流經(jīng)鎳箔，產(chǎn)生歐姆熱，其可以迅速加熱電池的核心。一旦電池的內(nèi)部溫度達(dá)到或超過0℃，即能促使電化學(xué)界面產(chǎn)生充放電高功率，從而完成激活過程，開關(guān)關(guān)閉。當(dāng)全天候電池在室溫下工作時，激活端子和負(fù)極端子之間的開關(guān)會保持關(guān)閉，這樣電子就可以繞開鎳箔，使全天候電池變成一個內(nèi)阻非常低、功率很高的傳統(tǒng)鋰離子電池。激活端子和負(fù)極端子之間的開關(guān)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(guān)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(diǎn)是高功率，一旦激活后電池材料和電化學(xué)界面溫度達(dá)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(shí)用的特點(diǎn)成為最合適的解決方案。

當(dāng)全天候電池對自身進(jìn)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(nèi)即可完成，兩種溫度環(huán)境下所消耗的電量分別為3.8%和5.5%。當(dāng)處于－30℃的溫度環(huán)境下，電池荷電狀態(tài)(即剩余電量)在50%左右時，全天候自加熱電池單元產(chǎn)生的放電量可達(dá)到1 061 W/kg，再生電量達(dá)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(guī)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(jìn)步。而且，賓夕法尼亞大學(xué)研發(fā)的電池僅比常規(guī)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(fā)動機(jī)啟停技術(shù)發(fā)揮更大的作用，并提升5%～10%的燃油經(jīng)濟(jì)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(fèi)電子產(chǎn)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(xù)航里程焦慮問題。另外，其也為機(jī)器人技術(shù)研發(fā)和太空探索的應(yīng)用提供了有利條件。

EC Power公司強(qiáng)調(diào)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(nèi)，并將電池電量損耗降至1%。