鋰電池體系的電化學(xué)性能受到溫度的顯著影響，低溫會(huì)導(dǎo)致Li+擴(kuò)散、界面電荷交換等過程中受到顯著的影響，因此低溫下鋰電池的功率性能會(huì)受到嚴(yán)重的影響，放電性能大幅減弱。目前常規(guī)的鋰電池僅能夠滿足-40℃下工作的需求，然而在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，例如火星的平均溫度在-63℃左右，傳統(tǒng)的鋰電池?zé)o法滿足在這一溫度下工作的需求。

近日，美國俄勒岡州立大學(xué)的HengJiang（第一作者）、XiuleiJi（通許作者）和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的JunLu（通訊作者）等人開發(fā)了一種能夠在極低溫度下工作的質(zhì)子電池，在-78℃下能夠放出常溫容量的55%，循環(huán)450次容量沒有損失，即便是-88℃下也能夠放出30%以上的容量。

為了改善鋰電池的低溫性能，科研工作者開發(fā)了多種電解液，例如液化氣、氟化溶劑和乙酸乙酯等，這些溶劑體系和載流子（Li+）相容性較差，因此能夠有效的降低電解液在電極/電解液界面的去溶劑化能量，從而提升電池的低溫性能，但是這些體系普遍存在安全性較差的問題，成為其在鋰電池中應(yīng)用的重要障礙。

水溶液體系的電池在安全性上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，其中質(zhì)子電池是一種最具有應(yīng)用前景的水系電解液。在本項(xiàng)研究中作者采用了濃度為63%的H3PO4體系電解液，該電解液的凝固點(diǎn)為-85℃，能夠很好的滿足電池低溫放電的需求。

實(shí)驗(yàn)中作者采用預(yù)先嵌入質(zhì)子的CuFe-TBA(H-TBA)作為正極，以MoO3作為負(fù)極，9.5m的H3PO4水溶液作為電解液。該電池表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能，在2A/g的大電流下循環(huán)1000次電池的剩余容量仍然可以達(dá)到85%。在倍率性能方面該電池表現(xiàn)更為出色，在5（約100C）、10（約200C）、20（約400C）、50（約1000C）和100A/g（約2000C）的電流密度下（基于電池正負(fù)極活性物質(zhì)總質(zhì)量的理論比容量約為55mAh/g）電池的容量保持率可以分別達(dá)到84%、82%、77%、75%和70%（如下圖B所示），遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的鋰電池，在1.1s脈沖放電工況下電池的比功率可達(dá)77kW/kg。

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

點(diǎn)擊詳情

從下圖c可以看到，不同溫度下電池的電流峰的位置幾乎沒有發(fā)生改變，表明電池具有良好的動(dòng)力學(xué)特性。在-78℃下電池能夠放出28mAh/g的比容量，約為常溫容量的55%，而即便是在-88℃（比該電解液的凝固點(diǎn)還要低3℃）電池仍然放出了常溫容量的30%。同時(shí)該電池在低溫下仍然具有良好的倍率性能，-78℃下即便是400mA/g的電流密度（約8C）仍然能夠放出常溫容量的50%。低溫循環(huán)通常是鋰電池的短板，但是該電池在-78℃下循環(huán)450次，容量幾乎沒有出現(xiàn)衰降，表現(xiàn)出了優(yōu)異的低溫循環(huán)性能。

上述質(zhì)子電池在低溫下良好的循環(huán)性能取決于MoO3良好的儲(chǔ)質(zhì)子特性，測(cè)試表明MoO3首次嵌入質(zhì)子和脫出質(zhì)子的容量分別為341mAh/g和194mAh/g，首次效率約為57%。下圖A為MoO3在不同電流密度下的充放電曲線，可以看到在1A/g的電流密度下MoO3材料的比容量可以達(dá)到218mAh/g，即便是電池倍率提高到100A/g（約為500C）電池MoO3材料仍然能夠放出140mAh/g的容量。

有趣的是雖然MoO3材料具有優(yōu)異的低溫和倍率性能，但是質(zhì)子在MoO3中的嵌入?yún)s是一個(gè)擴(kuò)散控制的過程。分析發(fā)現(xiàn)，在還原掃描的過程中平均每摩爾的電子，材料重量新增19.7g，這表明材料中除了嵌入質(zhì)子外，還嵌入了水合質(zhì)子。但是在氧化的過程中，每摩爾的電子僅損失5.3g的質(zhì)量，這表明有0.8摩爾的水分子被固定在MoO3材料的內(nèi)部，這些水分的存在能夠提升MoO3的儲(chǔ)存質(zhì)子的能力，特別是在低溫的儲(chǔ)存質(zhì)子能力。

電解液的選擇會(huì)對(duì)質(zhì)子電池的性能出現(xiàn)至關(guān)重要的影響，相比于稀的酸溶液高濃度的酸溶液能夠獲得更好的壽命特性，研究表明分別采用9.5m和1m的H3PO4溶液的MoO3電池，在經(jīng)過200次循環(huán)后容量保持率分別為82%和39%。這重要是因?yàn)镸oO3在不同濃度的酸溶液中穩(wěn)定性不同，測(cè)試發(fā)現(xiàn)在1m的磷酸溶液中經(jīng)過200次循環(huán)后MoO3損失了60%的質(zhì)量，而在9.5m的磷酸溶液中MoO3僅損失了20%的質(zhì)量，而假如在稀的H2SO4中MoO3質(zhì)量的損失則會(huì)達(dá)到驚人的70%，同時(shí)容量保持率也降低到10%，這重要是因?yàn)楦邼舛鹊娜跛崛芤褐凶杂伤肿訑?shù)量較少，從而能夠有效的改善質(zhì)子電池的循環(huán)壽命。此外從上圖F中我們也能夠注意到采用9.5m的磷酸溶液的MoO3的電荷交換阻抗值僅為4.5Ω，這要遠(yuǎn)低于1m的磷酸溶液中的10.8Ω，這可能是因?yàn)樵诟邼舛热芤褐凶杂蔂顟B(tài)的水分子數(shù)量比較少，因此質(zhì)子沒有完全的溶劑化，從而能夠使得只能直接和MoO3發(fā)生反應(yīng)，降低了界面的電荷交換阻抗。

下圖展示了質(zhì)子嵌入到MoO3材料中的反應(yīng)機(jī)理，從下圖c和d的XRD圖譜中能夠看到，隨著嵌入質(zhì)子數(shù)量的新增，（004）特點(diǎn)峰出現(xiàn)了左移，這表明在首次嵌入質(zhì)子過程中水分子的嵌入因此了MoO3材料內(nèi)部層間距的新增，（100）特點(diǎn)峰的右移表明Mn-O-Mn鍵在a軸方向上的收縮，（020）特點(diǎn)峰的左移表明Mn-O-Mn鍵在b軸方向的膨脹，這表明H+的嵌入和在材料內(nèi)部的遷移重要是和O形成H-O鍵的形式進(jìn)行。

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備

點(diǎn)擊詳情

HengJiang通過高濃的磷酸溶液顯著改善了MoO3的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，H+在電極/電解液的快速交換反應(yīng)降低了界面的電荷交換阻抗，這些用途使得該電池具備了出色的低溫和功率性能，即便是在-78℃下仍然能夠放出常溫容量的55%，在-88℃下仍然能夠放出常溫容量的30%，并且在-78℃下循環(huán)幾乎沒有容量損失。

本文重要參考以下文獻(xiàn)，文章僅用于對(duì)相關(guān)科學(xué)作品的介紹和評(píng)論，以及課堂教學(xué)和科學(xué)研究，不得作為商業(yè)用途。如有任何版權(quán)問題，請(qǐng)隨時(shí)和我們聯(lián)系。

AHigh-RateAqueousProtonBatteryDeliveringPowerBelow−78CviaanUnfrozenPhosphoricAcid,Adv.EnergyMater.2020,2000968,HengJiang,WoochulShin,LuMa,JessicaJ.Hong,ZhixuanWei,YusungLiu,SuoyingZhang,XianyongWu,YunkaiXu,QiuboGuo,MasA.Subramanian,WilliamF.Stickle,TianpinWu,JunLuandXiuleiJi