美国研发出可在低温下使用的锂离子电池

贾旭平

近期，美国宾夕法尼亚州立大学和其衍生公司EC Power的研究者共同研发出一种全新的锂离子电池——“全天候电池”(All-Climate Battery，ACB)，当气温处于0℃以下时，这种新型电池可以实现自身加热，而不需要依靠外部加热装置或电解质添加剂。

锂离子电池质量轻、能量密度高、无公害、无记忆效应，经过几十年的发展已成为目前最常见的电池产品，无论是手机、笔记本电脑，还是电动汽车中都能看到它们的身影。但是众所周知，极端气温在很大程度上可以干扰锂离子电池的正常工作。目前，在防止锂离子电池过热或者着火方面，随着科研力量的大量投入，解决该问题已经有了很大进展。但是，在过热的另一端——极冷环境也会导致电量的大量流失，从而影响锂离子电池的正常工作。研究者表示，传统电池在零度以下会出现严重的功率损失，这会导致在寒冷天气中充电时间的加长。“电池在零度以下性能降低是一个长期存在的问题，”宾夕法尼亚州立大学教授Chao-Yang Wang说道，“这对于手机和笔记本电脑可能不是什么问题，但却对电动汽车、无人机、室外机器人和太空应用产生严重影响。”

目前，电动汽车生产商已经采取了多种举措应对极端温度对电池的影响。比如，在2010年，福特汽车公司就宣布全电动福克斯(Focus)将配置热管理系统。该热管理系统通过使用热量或者加入冷却剂，并注入电池系统从而达到控制温度的效果。但总体而言，低温环境依旧对电动汽车电池性能提出了很大的挑战。

在宾夕法尼亚州立大学 (Penn State University)科研人员眼中，他们更关注如何保证电动汽车电池在高寒环境中正常工作方面，以期减少使用者的焦虑。在高寒地区或者低温条件下，电动汽车电池电量流失可能导致充电缓慢、影响反馈制动系统(regenerative braking)以及缩短高达40%的续航里程。宾夕法尼亚州立大学解决此问题的方法是：通过改变传统锂离子电池的结构破解了这一难题。在锂离子电池中加入了通电后能发出热量的镍箔(nickel foil)。镍箔一端连接负极，另一端则扩展至电池外部以创建第三极。连接至电池转换开关的温度传感器使电荷流经镍箔，从而产生电流。当检测到温度在零度以下时，该传感器便会引导电子穿过镍箔以产生热量，让电池内部开始升温。这也使得镍箔可以通过电阻加热使得电池内部迅速升温。经过特殊的设计，只要环境温度低于0℃，电池中一部分电流就会改变流向，流过镍箔，产生热量，像一片能反复利用的“暖宝宝”一样为电池保暖；而一旦电池内部温度超过0℃，流向“暖宝宝”的电流就会被切断，让电池恢复到普通工作状态。

图1 全天候示意图

图1为全天候锂离子电池的示意图。该电池除了三个电池必备的元件(负极、正极和电解液)外，研究人员还加入了第四个元件——50 mm厚的镍箔，其有两个极耳，分别连接一个端子。两个极耳间的电阻在室温下为56 mΩ，这样可以保持电池电压大约为2 V，既能防止固体电解质界面膜的分解，又能防止铜箔的氧化。镍箔的一个极耳与负极端子电连接，并与所有负极层的极耳焊接在一起。另一个极耳延伸到电池外部成为第三个端子，即激活端子，可用来激活电池在低温下的内部加热电路。激活端子和负极端子之间由一开关连接。当电池激活自加热时，开关为打开状态，电子必须流经镍箔，产生欧姆热，其可以迅速加热电池的核心。一旦电池的内部温度达到或超过0℃，即能促使电化学界面产生充放电高功率，从而完成激活过程，开关关闭。当全天候电池在室温下工作时，激活端子和负极端子之间的开关会保持关闭，这样电子就可以绕开镍箔，使全天候电池变成一个内阻非常低、功率很高的传统锂离子电池。激活端子和负极端子之间的开关可由电池的表面温度控制。图1(b)为电池激活时电压和表面温度的关系，之后7.5 Ah的电池在－20℃以1C放电。放电过程中，电池释放出了足够高的电压，这表明电池在整个激活过程及放电过程中均未受到电压衰降的影响。

全天候电池的另一个重要特点是高功率，一旦激活后电池材料和电化学界面温度达到0℃，电池即可释放出高功率。图2为全天候电池和普通锂离子电池的功率特性对比。

图2 全天候电池和普通锂离子电池的功率特性对比

研究人员还表示，尽管其他材料也可以作为电阻加热元件，但镍却凭借低成本、高效率以及实用的特点成为最合适的解决方案。

当全天候电池对自身进行加热时，仅需20秒便可将温度从－20℃提升至0℃，而从－30℃加热至0℃则在30秒之内即可完成，两种温度环境下所消耗的电量分别为3.8%和5.5%。当处于－30℃的温度环境下，电池荷电状态(即剩余电量)在50%左右时，全天候自加热电池单元产生的放电量可达到1 061 W/kg，再生电量达到1 425 W/kg，释放的电量约为普通锂离子电池单元的6.4～12.3倍。科研人员指出，与常规锂离子电池在低温条件下电量流失40%的情况相比，这是非常大的进步。而且，宾夕法尼亚大学研发的电池仅比常规锂离子电池重1.5%，成本高0.04%。研究人员指出，全天候电池可以让发动机启停技术发挥更大的作用，并提升5%～10%的燃油经济性。

由于全天候电池自身完成加热所消耗的电池能量微乎其微，因此除普通的消费电子产品外，对于电动车车主而言，其可以有效解决冬季电池不耐用带来的续航里程焦虑问题。另外，其也为机器人技术研发和太空探索的应用提供了有利条件。

EC Power公司强调称，其希望到2017年将电池加热(从－20℃加热至0℃)时间控制在5秒以内，并将电池电量损耗降至1%。