在低温下，由于锂离子电池电解液的粘度增加，电导率降低，极大的限制了锂离子电池在低温下的性能，也成为了阻碍锂离子电池在高寒地区应用的关键因素。因此改善锂离子电池在低温下性能的关键因素在如何改善电解液在低温下的性能，常见的商业电解液的溶剂主要成分为碳酸酯类物质，这类物质熔点较高，例如EC的熔点在35-38℃，DEC的熔点在-43℃，DMC的熔点为2-4℃，EMC的熔点在-55℃，虽然部分溶剂的熔点较低，但是为了改善电解液的电化学性能，往往需要几种溶剂混合使用，因此常见的商用锂离子电池电解液在低温下的性能普遍较差，一些针对低温性能开发的电解液极限使用温度也大多数在-40℃左右，而且要牺牲锂离子电池相当比例的容量作为代价。
近日，上海复旦大学的夏永姚教授开发了一款针对低温应用的乙酸乙酯基的电解液，该电解液具有高沸点和低冰点，以及在低温下具有良好的电导率的优点（-70℃），配合有机物正负极材料，保证了电池在-70℃至55℃都有很好的性能表现，极大的拓展了电池的应用范围（例如在极地和太空严寒环境），下面我们就带大家一起来了解一下这样一款能够在-70℃下工作的“超级电池”。
改善电解液在低温下的性能，关键在与选择一款低冰点，高性能的溶剂，在众多的候选者中，夏永姚团队发现乙酸乙酯EA是一种非常合适的溶剂，它的冰点在-84℃，并且已经有研究证明EA能够用于锂离子电池中。因此夏永姚团队选择EA作为溶剂，2mol/kg的LiTFSI作为电解质盐，该电解液的理论冰点达到-91℃，沸点达到81℃。测试表明该电解液即便是在-70℃的极限低温下，离子电导率仍然能够达到0.2mS/cm，结合有机物电极，该电池在-70℃的极限低温下仍然能够发挥出常温容量的70%左右。
该电解液在不同的温度下的离子电导率如下图所示，可以看到高温时商业锂离子电池电解液LB303的电导率要比这款EA基的电解液要高一些，但是当温度低于-30℃时，EA基电解液的电导率要明显高于商业电解液LB303，例如在-70℃下EA基的电解液的离子电导率仍然能够保持0.2mS/cm，而LB303电解液在-40℃下离子电导率就已经下降到0.02mS/cm。
EA基电解液的循环伏安测试结果表明该电解液的电化学稳定窗口在1.5-4.7V之间，因此实验中夏永姚团队首先选择了尖晶石Li1.1Mn2O4作为正极，LiTi2（PO4）3作为负极，以使得EA基电解液能够在电化学稳定窗口中工作。下图A为采用上述配方的电池在常温下不同倍率的放电曲线，可以看到该电池电压窗口为1.7-2.1V，电压平台为1.7V左右，正极的理论比容量为100mAh/g（0.5C倍率），在10C的倍率下比容量仍然能够达到63mAh/g。但是该电池在低温下的性能很差（如下图D所示），在-70℃下仅仅能够释放出非常有限的容量，这主要是因为常规的嵌入型锂离子电池材料在低温下Li+去溶剂化速度非常缓慢，增大了锂离子电池的极化，导致电池在低温下的性能急剧劣化。因此，传统的嵌入型锂离子电池活性物质并不适合应用在低温锂离子电池上。
为了改善锂离子电池在极限低温下的电化学性能，夏永姚团队另辟蹊径，正负极都采用有机物作为活性物质，利用n-type掺杂/去掺杂机理或者p-type掺杂/去掺杂机理进行工作。有机物锂离子电池是一种典型的双离子电池，由于阴离子的离子半径要明显大于阳离子，因此去溶剂化的能量也相对比较低，因此极大的降低了传统的锂离子电池电极材料对于溶剂化和去溶剂化过程的依赖，提高了电池在低温下的性能。
实验中，夏永姚团队采用三聚苯胺PTPAn作为正极和1,4,5,8-萘酐（NTCDA）衍生的聚酰亚胺（PNTCDA）作为负极，以及EA基电解液制备了新型的有机电池。该电池表现出了非常优异的低温性能（如下图充放电曲线所示），在25℃常温下该电池的放电比容量可达99mAh/g，在-40℃下容量没有衰降，在-55℃下仍然能够发挥出90mAh/g的比容量，甚至在-70℃下该电池的容量保持率也能够达到常温的70%左右。
从上面的介绍我们可以看到，夏永姚教授团队开发的这款超低温电池并不是传统意义上的锂离子电池，而是一款采用有机物作为正负极活性物质的双离子电池，通过配合超低温EA基电解液实现了电池在-70℃的极限低温下发挥出优异的电化学性能，极大的拓展了该电池的应用范围。但是文章中夏永姚教授也提到了该电池还存在很多缺陷，首先正负极所采用的有机物活性物质目前还没有商业化的产品，电极制备工艺与目前主流的锂离子电池的生产工艺存在明显的区别。其次该电池的理论比能量还较低，仅为33Wh/kg，甚至要低于传统的铅酸电池，这些特点注定该电池暂时还无法大规模的应用，但是在一些特使用途上该电池还是具有一定的潜力的。
（本文转自新能源leader）
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