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有人也許有過這樣的經(jīng)驗，在冰天雪地的室外拿手機靠近冰棱想拍照時，手機突然滅了，再次開機時，手機電量只剩一半甚至更少！在嚴寒（-20℃）天氣下開電動汽車的車主也許也會發(fā)現(xiàn)電動汽車的續(xù)航能力掉了一半，以至于電動汽車在嚴冬天氣下的表現(xiàn)有點“臭名昭著”。盡管現(xiàn)在的電動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)會大量的消耗電池的能量，同樣會導(dǎo)致電動汽車的續(xù)航能力下降。經(jīng)研究證實，石墨作為最先進的商業(yè)鋰離子電池負極，其放電比容量在-20℃時，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，嚴重限制了電動汽車在寒冷地區(qū)的普及，這個問題引起了科學界和工業(yè)界的高度關(guān)注。學術(shù)界的科學家們一直在苦苦尋找新的方法來解決鋰離子電池在嚴寒天氣下性能嚴重下降的難題，在過去的幾年里，科學家們發(fā)現(xiàn)大部分問題都與離子本身的運動有關(guān)，鋰離子在嚴寒天氣下很難正確地穿過電解質(zhì)到達電極。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的研究人員合作在學術(shù)期刊《ACS Central Science》上發(fā)表的一項研究，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結(jié)合太弱，這可能是鋰離子電池低溫運行的基本障礙，因此，解決低溫電池容量損失的關(guān)鍵在于調(diào)整碳負極的表面電子構(gòu)型，以加強鋰離子與吸附位點之間的配位作用，降低電荷轉(zhuǎn)移過程的活化能。理論計算表明，與零曲率的平面相比，曲面與鋰的結(jié)合能力更強，特別是正曲率的結(jié)構(gòu)，使得在極冷環(huán)境下實現(xiàn)碳負極的高容量成為可能。然而，具有正曲率的碳負極作為低溫下用于鋰離子存儲的高容量電極材料從未實現(xiàn)過，其潛在的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系尚未在理論和實驗上得到揭示。這個研究的研究人員實現(xiàn)了電極材料耐低溫的首次突破！他們通過直接低溫熱解沸石咪唑酯骨架制備了錨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。當溫度降至 -10°C 時，它的容量難以置信地保持在 756 mAh/g；隨著溫度進一步降低至-20 °C時，它依然表現(xiàn)出了624mAh/g的高可逆容量，容量損失約為14%，遠遠超過商業(yè)上最先進的零曲率石墨平面（放電比容量已經(jīng)降至19 mAh/g）！即使溫度繼續(xù)降至-35 °C，這種碳負極在200次充放電循環(huán)后，容量依然保持在160mAh/g，而石墨負極在如此低的溫度條件下，容量已經(jīng)喪失殆盡，電池停止運行。這項研究令人感到驚嘆，-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，意味著電動汽車車主再也不用擔心車輛的續(xù)航里程在嚴寒天氣下的衰減，這無疑將會推動電動汽車在全球的普及。這個研究到這里并沒有結(jié)束，它不會僅限于實驗室研究，它為鋰離子電池耐低溫電極材料的應(yīng)用打開了大門，未來我們將會看到更多更好的新型耐低溫電極材料的出現(xiàn)。
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