如果您有一辆电动汽车并且在寒冷中驾驶，您可能很清楚当温度降至冰点以下时性能和续航里程会降低。即使你住在温暖的地方，你也可能在滑雪旅行期间在手机中看到同样的效果，发现尽管使用量很少，但你的百分比充电迅速下降。
幸运的是，科学家们正在努力改进电池技术，希望提高容量、加快充电速度、增强续航能力、提高安全性，并且是的，在非常寒冷的温度下提升性能。
当气温降至冰点以下时，手机需要经常充电，而电动汽车的续航里程更短。这是因为他们的锂离子电池的阳极变得迟缓，保持较少的电荷并迅速耗尽能量。为了提高极端寒冷条件下的电气性能，ACS Central Science上的研究人员已将锂离子电池中的传统石墨阳极替换为凹凸不平的碳基材料，该材料可将其可充电存储容量保持在 -31°F (-35°F) ℃）。
顾名思义，锂离子电池是一种可充电电池，其中锂离子在放电时从负极通过电解质移动到正极，然后在充电时返回。
锂离子电池非常适合为可充电电子设备供电，因为它们可以存储大量能量并且使用寿命长。但是当温度低于冰点时，这些能源的电气性能下降，当条件足够冷时，它们可能无法转移任何电荷。这就是为什么生活在美国中西部的一些人在严冬时无法使用电动汽车的原因，以及为什么在太空探索中使用这些电池存在风险。
最近，科学家们确定，负极中石墨的扁平取向是导致锂离子电池在寒冷中的储能能力下降的原因。因此，王曦、姚建年及其同事想要修改碳基材料的表面结构，以改善阳极的电荷转移过程。
为了制造这种新材料，研究人员在高温下加热了含钴的沸石咪唑酯骨架（称为 ZIF-67）。所得的 12 面碳纳米球具有凹凸不平的表面，表现出出色的电荷转移能力。然后，该团队在一个硬币形电池内测试了该材料作为阳极、锂金属作为阴极的电气性能。阳极在 77°F 至 -4°F（25°C 至 -20°C）的温度下表现出稳定的充电和放电，并保持 85.9% 的室温储能容量略低于冰点。
电池如何工作？
相比之下，使用其他碳基阳极（包括石墨和碳纳米管）制成的锂离子电池在冰点温度下几乎不充电。当研究人员将空气温度降至 -31°F（-35°C）时，由凹凸不平的纳米球制成的阳极仍然可以充电，并且在放电过程中，释放了近 100% 的电池电量。研究人员说，将凹凸不平的纳米球材料加入锂离子电池中，可以为在极低温度下使用这些能源开辟可能性。
参考：“碳阳极上的黎曼表面使锂离子储存在 -35 °C”，作者：Zongjing Lu、Jingnan Wang、Xuechun Cheng、Weiwei Xie、Zhiyi Gao、Xuejing Zhang、Yong Xu、Ding Yi、Yijun Yang、Xi Wang 和姚建年，2022 年 6 月 8 日，10.1021/acscentsci.2c00411。
DOI: 10.1021/acscentsci.2c00411
作者感谢中央高校基本科研业务费专项资金、国家自然科学基金委员会、中国科技部、广东省科技计划项目、化学与化工广东省实验室的资助和北京交通大学。
