天氣寒冷的時(shí)候，有些在室外活動(dòng)的人們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，手機(jī)的電量怎么蹭蹭地掉？剛剛還20%的電，怎么幾分鐘手機(jī)就自動(dòng)關(guān)機(jī)了？這是因?yàn)?，鋰電池在低溫下?huì)面臨相當(dāng)嚴(yán)重的功率損失。
為了解決這個(gè)問題，我和我的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種全新的鋰電池技術(shù)——全氣候電池（All Climate Batteries TM）， 革命性地突破了鋰電池在低溫下性能的局限。該技術(shù)于近日發(fā)表于頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》1。
“全天候電池”也許能幫助在低溫下效率比較低的鋰電池提升性能。圖片來(lái)源：論文作者
天一冷，鋰電池也要“罷工”？
鋰電池工作時(shí)，Li+會(huì)在正極和負(fù)極之間移動(dòng)，而低溫會(huì)讓鋰離子電池中的Li+活性降低。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，本來(lái)鋰電池是有電的，但由于低溫讓Li+“跑不動(dòng)”了，就會(huì)讓電池的可用電量下降：我空有一堆大貨車，奈何只能用驢拉呀。
當(dāng)溫度回升，鋰電池里的Li+活性恢復(fù)正常，之前“不能用”的那些電量也就恢復(fù)了。所以去過(guò)寒冷地區(qū)拍攝的人應(yīng)該知道這個(gè)小秘訣：相機(jī)經(jīng)常用一會(huì)就沒電了怎么辦？你可以把電池捂在懷里，給它溫暖，它就能恢復(fù)電量。然后再?zèng)]電，再捂，如此循環(huán)……
盡管有這樣那樣的“秘訣”，但鋰電池在低溫下的低效率的確是個(gè)挺大的問題。鋰電池廣泛應(yīng)用于各工業(yè)和大眾生活的各個(gè)角落，也是解決環(huán)境問題的重要工具。它們的能量密度和功率性能在低溫下大大降低，嚴(yán)重限制了其在低溫環(huán)境中的應(yīng)用。
另外，除了沒法在寒冷的氣候和高海拔地區(qū)使用，鋰電池的“不耐寒”還會(huì)極大地影響到電動(dòng)汽車的電池組的使用范圍。電動(dòng)汽車的電池組體積龐大，你可沒法用“捂起來(lái)溫暖”這一招。其低溫下?lián)p失的功率可能需要更多的電池組來(lái)彌補(bǔ)，還需要更昂貴的部件讓發(fā)動(dòng)機(jī)“冷起動(dòng)”。在寒冷的天氣中，充電也會(huì)變得緩慢，這限制了電動(dòng)車的“再生制動(dòng)”，并縮小汽車的行駛范圍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)汽車在0度環(huán)境下的續(xù)航里程只有正常里程的一半。
那么，有解決的辦法嗎？
“全天候電池”，能自加熱的電池
我是EC Power公司的創(chuàng)始人、也是賓州州立大學(xué)的教授。我們的團(tuán)隊(duì)一直在致力于解決這個(gè)問題。我們發(fā)明的這種“全氣候電池”，能夠在低于零攝氏度時(shí)進(jìn)行“自加熱”。這一過(guò)程并不需要外部加熱設(shè)備的幫助，也不需要在電解質(zhì)里添加特別的添加劑。
全氣候電池在內(nèi)部插入了一片很薄很薄的鎳片（a圖黃色部分），用很少量的電池能量對(duì)電池進(jìn)行自加熱，極大地提高了鋰電池在低溫下的效率。圖片來(lái)源：研究論文1
一直以來(lái)，鋰電池在低溫下的局限性是工業(yè)界一直致力于解決的問題。此前的各類技術(shù)往往系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂，并會(huì)損害電池在常溫和高溫下性能。我們的團(tuán)隊(duì)也研究了許多種電池的加熱方式，最后發(fā)現(xiàn)用全氣候電池技術(shù)直接加熱到電池的電化學(xué)界面是最有效、直接的方法。
全氣候電池巧妙地對(duì)電池結(jié)構(gòu)做出細(xì)微調(diào)整，在電池內(nèi)部插入極薄鎳片，使得電池在低溫下迅速自加熱，有效地提升電池溫度。在發(fā)現(xiàn)電池溫度上升到可用范圍后，它又會(huì)自動(dòng)停止加熱，以免造成更多的能量損失。此項(xiàng)技術(shù)能將鋰電池在-30℃下的功率提高10倍以上，同時(shí)不減弱電池在常溫下的性能和壽命。
我們的這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)了嚴(yán)格的檢測(cè)。其中包括500次的低溫加熱測(cè)試， 1000次45度高溫循環(huán)測(cè)試，以及高達(dá)2600次的常溫循環(huán)測(cè)試，沒有發(fā)現(xiàn)任何電池壽命的問題。此外，EC Power公司擁有成熟的全氣候電池生產(chǎn)能力，已在實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
EC Power公司制造的全氣候鋰電池。圖片來(lái)源：論文作者
鑒于電池能夠在寒冷天氣下自行加熱，我和我的團(tuán)隊(duì)希望，未來(lái)“全氣候電池”能夠幫助更多的電動(dòng)汽車應(yīng)對(duì)寒冷的條件限制。除了電動(dòng)汽車，它還可能運(yùn)用在高緯度地區(qū)的作業(yè)無(wú)人機(jī)、野外電子設(shè)備上等等。另外我們還設(shè)想了“全氣候電池”在空間探索上的可能應(yīng)用。（編輯：Jerrusalem）
