極端冬季天氣會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成壓力，導(dǎo)致電動(dòng)汽車熄火，并使備用電池在最需要的時(shí)候無法供電。據(jù)外媒報(bào)道，得克薩斯農(nóng)工大學(xué)（Texas A&M University，TAMU）的研究人員開發(fā)出了一種即使在極寒條件下也能持續(xù)工作的電池設(shè)計(jì)。
圖片來源：得克薩斯農(nóng)工大學(xué)
該研究團(tuán)隊(duì)由工程學(xué)院（College of Engineering）化學(xué)工程教授兼研究副院長(zhǎng)Jodie Lutkenhaus博士領(lǐng)導(dǎo)，已在《Journal of Materials Chemistry A》期刊上發(fā)表了關(guān)于聚合物電池的研究成果。
專為極寒環(huán)境設(shè)計(jì)的電池
Lutkenhaus博士表示，電池性能在寒冷天氣下會(huì)下降，因?yàn)閭鹘y(tǒng)電池內(nèi)部含有液態(tài)電解質(zhì)來傳輸電荷。“如果電解質(zhì)凍結(jié)，電荷就無法傳輸。因此，電池將無法充電或放電。2024年芝加哥寒潮的時(shí)候，這個(gè)問題就暴露出來了，當(dāng)時(shí)電動(dòng)汽車的電池因?yàn)闇囟冗^低甚至凍結(jié)，無法在充電站充電?！?/p>
該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新電池設(shè)計(jì)能夠在零下40度的低溫度下保持正常工作。Lutkenhaus博士說：“我們之所以能夠做到這一點(diǎn)，是因?yàn)槲覀冇靡环N不會(huì)結(jié)冰的電解質(zhì)代替了會(huì)結(jié)冰的液態(tài)電解質(zhì)。我們還用一種反應(yīng)速度更快的軟聚合物材料代替了低溫下反應(yīng)遲緩的硬質(zhì)無機(jī)材料?！?/p>
研究人員研制出一種有機(jī)雙離子電池，該電池使用氧化還原活性聚合物代替大多數(shù)商用電池中常用的無機(jī)電極材料。他們將這些聚合物電極與一種基于二甘醇二甲醚的低溫電解質(zhì)相結(jié)合，這種電解質(zhì)在傳統(tǒng)電解質(zhì)開始結(jié)晶的溫度下仍能保持流動(dòng)性和導(dǎo)電性。
因此，該電池在0攝氏度（32華氏度）時(shí)仍能保持85%的容量，在零下40攝氏度（零下40華氏度）時(shí)則能保持55%的容量，同時(shí)維持了高比功率。
圖片來源：得克薩斯農(nóng)工大學(xué)
電池在低溫下失效的原因
電池化學(xué)原理依賴于離子在電解質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)；隨著溫度下降，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)急劇減慢。
研究團(tuán)隊(duì)通過新型電池設(shè)計(jì)，將低溫電解質(zhì)與軟聚合物電極相結(jié)合，避免了電池結(jié)構(gòu)坍塌。這種軟聚合物電極即使在系統(tǒng)冷卻時(shí)也能保持柔韌性和電化學(xué)活性。Lutkenhaus博士說：“堅(jiān)硬的無機(jī)材料在低溫下通常反應(yīng)遲緩，但柔聚合物材料可以更容易地移動(dòng)離子。使用本身就能耐受低溫的材料，電池就無需對(duì)抗自身的化學(xué)反應(yīng)。”
碳纖維增強(qiáng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性
研究人員還著手解決機(jī)械耐久性問題，這是限制電池在嚴(yán)苛環(huán)境下性能的另一個(gè)因素。該團(tuán)隊(duì)沒有使用金屬集流體（金屬集流體會(huì)增加電池重量并在應(yīng)力作用下開裂），而是采用了碳纖維編織物。這種碳纖維編織物既增強(qiáng)了電池的強(qiáng)度，又能有效地傳導(dǎo)電荷。
最終成果是一種“結(jié)構(gòu)電池”，它既能存儲(chǔ)能量，同時(shí)又能提供機(jī)械強(qiáng)度。這種雙功能設(shè)計(jì)在電動(dòng)汽車、無人機(jī)或任何對(duì)重量和結(jié)構(gòu)完整性要求較高的系統(tǒng)中都具有優(yōu)勢(shì)。Lutkenhaus博士說：“隨著時(shí)間的推移，機(jī)械應(yīng)力會(huì)損壞電池，通過制造與結(jié)構(gòu)融為一體的電池，我們可以同時(shí)減輕重量并提高耐用性?！?/p>
突破低溫瓶頸
可靠的低溫性能可能會(huì)對(duì)從個(gè)人電子產(chǎn)品到關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施等各種系統(tǒng)產(chǎn)生影響。Lutkenhaus博士說：“遇到特大暴風(fēng)雪或寒潮，電網(wǎng)可能會(huì)癱瘓。電池可以彌補(bǔ)這些停電和電力缺口。如果我們想要一個(gè)四季皆宜的能源系統(tǒng)，我們就需要不受溫度波動(dòng)影響的儲(chǔ)能設(shè)備。”
雖然該電池仍處于研究階段，但它展示了材料創(chuàng)新如何克服長(zhǎng)期存在的性能瓶頸。這項(xiàng)研究預(yù)示著未來在極端天氣下，儲(chǔ)能將更加可靠。
