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有人也許有過這樣的經(jīng)驗(yàn)，在冰天雪地的室外拿手機(jī)靠近冰棱想拍照時(shí)，手機(jī)突然滅了，再次開機(jī)時(shí)，手機(jī)電量只剩一半甚至更少！在嚴(yán)寒（-20℃）天氣下開電動(dòng)汽車的車主也許也會(huì)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車的續(xù)航能力掉了一半，以至于電動(dòng)汽車在嚴(yán)冬天氣下的表現(xiàn)有點(diǎn)“臭名昭著”。盡管現(xiàn)在的電動(dòng)汽車大部分都配備了電池加熱系統(tǒng)，以盡可能的保證電池的性能不下降，但是加熱系統(tǒng)會(huì)大量的消耗電池的能量，同樣會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車的續(xù)航能力下降。經(jīng)研究證實(shí)，石墨作為最先進(jìn)的商業(yè)鋰離子電池負(fù)極，其放電比容量在-20℃時(shí)，從372mAh/g迅速衰減至僅剩12mAh/g！鋰離子電池在低溫條件下表現(xiàn)不佳，嚴(yán)重限制了電動(dòng)汽車在寒冷地區(qū)的普及，這個(gè)問題引起了科學(xué)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。學(xué)術(shù)界的科學(xué)家們一直在苦苦尋找新的方法來解決鋰離子電池在嚴(yán)寒天氣下性能嚴(yán)重下降的難題，在過去的幾年里，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)大部分問題都與離子本身的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，鋰離子在嚴(yán)寒天氣下很難正確地穿過電解質(zhì)到達(dá)電極。到目前為止，各種策略主要集中在電解質(zhì)和電極上，要么通過定制電解質(zhì)結(jié)構(gòu)和引入電解質(zhì)添加劑來降低冰點(diǎn)和提高離子電導(dǎo)率，即通過制造更耐寒的電解質(zhì)來解決上述問題；要么對電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面改性以降低界面處的電荷轉(zhuǎn)移能壘。最近，由中科院和北京交通大學(xué)的研究人員合作在學(xué)術(shù)期刊《ACS Central Science》上發(fā)表的一項(xiàng)研究，獲得了重要的突破！使得鋰離子電池即使在極寒溫度（-35℃）條件下運(yùn)行，依然能保持較高的容量！在極寒溫度條件下，鋰離子與石墨層中的碳位點(diǎn)結(jié)合太弱，這可能是鋰離子電池低溫運(yùn)行的基本障礙，因此，解決低溫電池容量損失的關(guān)鍵在于調(diào)整碳負(fù)極的表面電子構(gòu)型，以加強(qiáng)鋰離子與吸附位點(diǎn)之間的配位作用，降低電荷轉(zhuǎn)移過程的活化能。理論計(jì)算表明，與零曲率的平面相比，曲面與鋰的結(jié)合能力更強(qiáng)，特別是正曲率的結(jié)構(gòu)，使得在極冷環(huán)境下實(shí)現(xiàn)碳負(fù)極的高容量成為可能。然而，具有正曲率的碳負(fù)極作為低溫下用于鋰離子存儲的高容量電極材料從未實(shí)現(xiàn)過，其潛在的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系尚未在理論和實(shí)驗(yàn)上得到揭示。這個(gè)研究的研究人員實(shí)現(xiàn)了電極材料耐低溫的首次突破！他們通過直接低溫?zé)峤夥惺溥蝓ス羌苤苽淞隋^定在十二面體碳骨架上的多層洋蔥狀的碳納米球，其具有非共面黎曼表面，具有正曲率。在常溫25°C條件下，用于鋰離子電池的這種碳納米球碳負(fù)極在50次充放電循環(huán)后，其放電比容量為823mAh/g，而作為對照的石墨為372mAh/g。當(dāng)溫度降至 -10°C 時(shí)，它的容量難以置信地保持在 756 mAh/g；隨著溫度進(jìn)一步降低至-20 °C時(shí)，它依然表現(xiàn)出了624mAh/g的高可逆容量，容量損失約為14%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過商業(yè)上最先進(jìn)的零曲率石墨平面（放電比容量已經(jīng)降至19 mAh/g）！即使溫度繼續(xù)降至-35 °C，這種碳負(fù)極在200次充放電循環(huán)后，容量依然保持在160mAh/g，而石墨負(fù)極在如此低的溫度條件下，容量已經(jīng)喪失殆盡，電池停止運(yùn)行。這項(xiàng)研究令人感到驚嘆，-20 °C對于人類的居住環(huán)境來說，已經(jīng)是極低的溫度，使用這種新型碳負(fù)極的鋰離子電池的容量損失竟然只有14%！這種耐低溫電極材料如果能商用，意味著電動(dòng)汽車車主再也不用擔(dān)心車輛的續(xù)航里程在嚴(yán)寒天氣下的衰減，這無疑將會(huì)推動(dòng)電動(dòng)汽車在全球的普及。這個(gè)研究到這里并沒有結(jié)束，它不會(huì)僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，它為鋰離子電池耐低溫電極材料的應(yīng)用打開了大門，未來我們將會(huì)看到更多更好的新型耐低溫電極材料的出現(xiàn)。
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