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Nature:一种适用于所有季节的电池

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还记得年前那场猛烈的寒流吗?它给大家的生活带来了各种不便。当时不少苹果粉吐槽自己的手机莫名其妙的自动关机了。苹果对此表示,iPhone运行最佳温度在0°C至35°C之间。如果因为天冷导致手机关机,这种情况只是暂时的。当电池温度返回正常操作范围,其性能也会随之恢复正常。确切来说使用了锂离子电池的手机都会遇到这样的情况。

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锂离电池工作原理

锂离子电池内部的电解质通过化学反应的变化在正负极出现电势差从而产生电流。在低温环境下电解质会移动的相当慢,从而影响锂离子在正负极之间的转移活性。导致电池充放电性能下降。在智能手机和笔记本电脑上得到普遍应用的锂离子电池,在低于冰点的温度下能量损失严重,从而限制了它们在电动汽车和高空无人机等方面的应用。

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Nature:解决方案来啦

这个问题可以通过给电池增添外部加热器和隔热材料来缓解,但电池重量会有很大增加。日前,Chao-Yang Wang及同事发表在《Nature》上的一篇文章表示,通过向一个传统电池内部添加一条具有特定电阻的金属箔,研发出了一种 “全天候”锂离子电池。在低温下,电流经由该金属箔流动,从而因电阻而生热。当该电池的内部温度升高到零度以上时,一个开关被触发,从而使电池恢复正常工作。相对于普通锂离子电池,在放电量增加的同时,电池容量只会有少量损失。下图是电池内部插入金属箔的示意图。该装置可以快速地向电极和电解液传热。关闭激活终端(activation terminal)和负极之间的开关即可激活该自动加热功能。

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研究人员分析了不同温度下该电池的性能,下图为−20 °C时,激活电压Vact = 0.4 V,随后1C倍率放电。电池温度从−20°C上升到0°C花了约 20秒,年代和1 C放电之后发生在~ 0°C电池核心温度而不是−20°C的环境温度。随后电池放电时电池核心温度为~0°C,而不是−20 °C的环境温度。

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研究人员还发现,该电池的耐久性很强,如下图所示,具有很好的实用性。

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参考文献:

Lithium-ion battery structure that self-heats at low temperatures,Nature 529, 515–518

 

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