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通過可充電電池技術(shù)儲存能量，我們的數(shù)字生活方式從此充滿了動力，一方面，可再生的能源又可以被納入電網(wǎng)。然而，在寒冷條件下的電池功能仍然是一個挑戰(zhàn)，促使人們研究改善電池的低溫性能。水性電池(在液體溶液中)在低溫下的放電速率(衡量每單位時間內(nèi)放出的能量)方面比非水性電池好。
香港大學(xué)的工程師們的新研究最近發(fā)表在《納米研究能源》雜志上，提出了用于低溫水溶液電池的水溶液電解質(zhì)的最佳設(shè)計元素。該研究根據(jù)幾個指標(biāo)審查了水電解質(zhì)的物理化學(xué)特性(決定其在電池中的性能)：相圖、離子擴(kuò)散率和氧化還原反應(yīng)的動力學(xué)。
低溫水溶液電池的主要挑戰(zhàn)是，電解質(zhì)凍結(jié)，離子擴(kuò)散緩慢，氧化還原動力學(xué)(電子轉(zhuǎn)移過程)因此而遲緩。這些參數(shù)與電池中使用的低溫水基電解質(zhì)的物理化學(xué)特性密切相關(guān)。
因此，為了提高電池在寒冷條件下的性能，需要了解電解質(zhì)對寒冷(-50 oC至-95 oC / -58 oF至-139 oF)的反應(yīng)。研究作者和副教授Yi-Chun Lu說："為了獲得高性能的低溫水溶液電池(LT-ABs)，研究水溶液電解質(zhì)隨溫度變化的物理化學(xué)特性以指導(dǎo)低溫水溶液電解質(zhì)(LT-AEs)的設(shè)計非常重要。"
圖中顯示了水電解質(zhì)的設(shè)計策略，包括防凍熱力學(xué)、離子擴(kuò)散動力學(xué)和界面氧化還原動力學(xué)。
研究人員比較了用于儲能技術(shù)的各種LT-AE，包括Li+/Na+/K+/H+/Zn2+-電池、超級電容器和流動電池技術(shù)。該研究整理了許多其他報告中有關(guān)各種LT-AEs性能的信息，例如用于Zn/MnO2水電池的防凍水凝膠電解質(zhì)；以及用于Zn金屬電池的乙二醇(EG)-H2O混合電解質(zhì)。
他們系統(tǒng)地研究了這些報道的LT-AEs的平衡和非平衡相圖，以了解它們的防凍機(jī)制。相圖顯示了電解質(zhì)相在不同溫度下的變化。該研究還考察了LT-AEs的導(dǎo)電性與溫度、電解質(zhì)濃度和電荷載體的關(guān)系。
研究作者Lu預(yù)測，"理想的防凍水電解質(zhì)不僅應(yīng)該表現(xiàn)出低冰點溫度Tm，還應(yīng)該擁有強(qiáng)大的過冷能力"，即液體電解質(zhì)介質(zhì)甚至在低于冰點溫度時仍保持液體狀態(tài)，從而實現(xiàn)超低溫下的離子傳輸。
研究作者發(fā)現(xiàn)，使電池能夠在超低溫下運行的LT-AEs大多表現(xiàn)出低冰點和強(qiáng)過冷能力。此外，"強(qiáng)大的過冷能力可以通過提高最小結(jié)晶時間t和增加電解質(zhì)的玻璃化溫度和凍結(jié)溫度(Tg/Tm)的比率值來實現(xiàn)"。
通過降低發(fā)生離子轉(zhuǎn)移所需的能量，調(diào)整電解質(zhì)的濃度，以及選擇某些能促進(jìn)快速氧化還原反應(yīng)速率的電荷載體，可以改善所報道的用于電池的LT-AE的電荷傳導(dǎo)性。Lu說："降低擴(kuò)散激活能，優(yōu)化電解質(zhì)濃度，選擇具有低水合半徑的電荷載體，以及設(shè)計協(xié)同擴(kuò)散機(jī)制，將是改善LT-AEs離子傳導(dǎo)性的有效策略。"
在未來，作者希望進(jìn)一步研究有助于改善低溫下水電池性能的電解質(zhì)的物理化學(xué)特性。Lu說："我們希望通過設(shè)計具有低冰點溫度、強(qiáng)過冷能力、高離子導(dǎo)電性和快速界面氧化還原動力學(xué)的水基電解質(zhì)來開發(fā)高性能的低溫水電池(LT-ABs)。"
原標(biāo)題：研究人員正設(shè)法提高低溫環(huán)境下的電池性能
浙公網(wǎng)安備 33010602000006號
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