设计可在极寒环境下运行的电池防冻电解质的策略

能够在极低温度下可靠运行的电池技术对于各种应用都具有很高的价值。例如，这些电池可以为外太空、深海和其他极端环境中的设备、车辆和机器人系统供电。

为了在这些环境中安全有效地运行，电池应具有不会冻结或对温度大幅下降产生不利反应的组件。一种建议的解决方案是设计含有所谓防冻电解质的可充电水性电池。

中国科学院和其他中国研究所的研究人员最近制定了一种设计水性电池防冻电解液的新策略。该策略在《自然能源》杂志上发表的一篇论文中概述，重点关注两个特定的温度相关因素，而这两个因素迄今为止并不是防冻电解液设计的主要关注点。

蒋立伟、韩帅及其同事在论文中写道：“通过选择合适的H2O溶质系统来设计防冻电解质对于低温水电池(LTAB)至关重要。”

“然而，缺乏基于决定性温度限制因素来选择H2O溶质系统的有效指导方针，阻碍了LTAB的发展。在这里，我们确定了两个决定性因素：热力学共晶温度(Te)和动力学玻璃化转变温度(Tg)，其中Tg仅当H2O溶质系统具有强大的过冷能力时才适用于LTAB。”

之前大多数旨在设计防冻电解质的研究都侧重于调节所谓的凝固点(Tf)，这实际上是液体冻结并变成固体的精确点。这可以通过多种不同的方法来实现。

尽管如此，Tf可能不是限制电池在低温下运行的最关键因素。事实上，一些电解质允许电池在部分冻结的情况下在低温下运行，因此温度低于其Tf点。

因此，在这篇论文中，江、韩和他们的同事重点研究了另外两个与温度相关的因素，即Te和Tg。其中，Te是在给定压力下液体溶液保持稳定的最低温度，而Tg是分子开始移动的温度，低于该温度时，分子移动性会冻结，从而促使其转变为刚性玻璃相。

研究人员写道：“我们提出了一种总体策略，通过引入具有高离子势阳离子(例如，Al3+、Ca2+)的辅助盐或具有高供体数量的共溶剂(例如，乙二醇)，可以创建多溶质体系，从而实现低Te和强过冷能力的电解质。”

“作为Na基系统的演示，我们设计了具有超低Te(-53.5至-72.6oC)和Tg(-86.1至-117.1oC)的电解质，展示了电池性能，包括在25oC时80Whkg-1和5,000次循环，以及在-85oC时12.5Whkg-1。”

研究人员在论文中证明了一种详细的指导方针，可用于设计用于低温运行的水电池的防冻电解质。未来，该指导方针可能会对其他研究小组有用，有可能有助于为旨在部署在太空、深海和其他极低温度环境中的技术开发性能更好的电池解决方案。

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