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浙大6C快充登Nature：10分鐘高速充放，漠河寒冬不怕
https://www.qbitai.com/2024/03/125477.html
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07045-4
曹原發自副駕寺
智慧車參考|公眾號AI4Auto
鋰離子電池新突破來了！
應用 新電解液 的液態鋰電池， 10分鐘 內能完成充放電，室溫下離子電導率增加 4倍
。
同時也擁有 超寬工作溫域 ，下至 -70℃ 上至 60℃ ，就算是漠河的魔鬼天氣，都能穩
定工作。
這項新研究成果來自 浙江大學 ，論文已登 Nature 。
新鋰離子電解液：10分鐘快速充放
隨著氣溫逐漸回暖，「電動爸爸」開始沒那麼難伺候。
雖說各新能源車企為了確保冬季續航使出渾身解數，但在低溫環境下，鋰電池化學反應變
慢，甚至極低溫度時電解液凍結，電池性能下降是不爭的事實。
且除了低溫，高溫環境同樣會影響液態鋰離子電池的工作速率。
浙大6C快充登Nature：10分鐘高速充放，漠河寒冬不怕
這其中一個重要因素就是 電解質 。
眾所周知，電池充放電的速率和鋰離子在電池中移動的速度有關。
以低溫環境為例，當環境溫度低於-20℃時，電解液黏度增加（也就是逐漸凝固的過程）
，導致鋰離子移動速度下降，即鋰離子電導率下降。
同時，因為液態鋰離子電池首次充放電過程中，電極和電解液在接觸面上會形成一層鈍化
層，也就是SEI膜。
浙大6C快充登Nature：10分鐘高速充放，漠河寒冬不怕
雖然SEI膜可以防止電解液的溶劑分子進入損壞電極，但在低溫環境下，這層SEI膜會越來
越厚，阻抗增加，也會降低鋰離子電導率。
但浙江大學團隊提出的這種電解液，基於 FAN氟乙腈 ，從-70℃到60℃，都能確保很高的
離子導電率。
例如在-70℃，FAN電解質的電池也能達到11.9mS/cm的高離子電導率，高於傳統碳酸鹽電
解質四個數量級以上，超越此態離子電導率最高的電解質。
並且還具有 穩定性 。 在60℃，以6C的速率進行充放電循環，使用FAN電解液的鋰離子電
池，循環600次後電池容量仍維持在80%。
而在電池容量均為1.2Ah時，無論是多次循環或溫度降至-80℃，只有使用FAN電解液的鋰
離子電池仍能提供一定的可逆容量。
即使在一般情況，即25°C時，使用FAN電解液的電池最高達到 40.3mS/cm 的超高離子電
導率，高於典型電解液四倍以上。
也就是說，這種新型電解液讓鋰離子電池具備 超寬工作溫域 的同時，還能確保穩定、循
環工作，性能和傳統碳酸鹽電解液相比有很大提升。
團隊表示，在同等條件下，使用FAN電解液的電池可實現充電10分鐘，電量充到80%，快充
效能優異。
那麼，為什麼是FAN電解質？
配體通道促進傳輸機制
想要在極端溫度情況下確保電池性能，也就是確保鋰離子的移動，或者說傳導速率，那麼
首先需要了解的是現有傳導方式的優缺點。
目前在碳酸鹽電解液中，鋰離子主要有兩種傳導方式， 載體傳輸 （Vehicular
Transport）和 結構傳輸 （Structural Transport），或稱為跳躍傳輸（Hopping
Transport）。
當載體傳輸時，溶劑分子在鋰離子外形成一個溶劑化鞘（solvation sheath），這個複合
物整體包著鋰離子在電解液中移動，相當於一個載體帶著鋰離子。
也就是說，在載體傳輸時，鋰離子的移動速度取決於溶劑化鞘的移動速度。
結構傳輸則是鋰離子在溶劑分子和陰離子之間跳躍，以便進行移動，鋰離子的移動速度則
取決於電解液的濃度。
而載體傳輸雖然能在低濃度電解液中實現高離子導電性，並且能夠形成穩定的SEI膜，但
是低溫、電解液濃度過高會讓溶劑化鞘移動速度下降，降低鋰離子傳導速度。
結構傳輸則在高濃度電解液中更有效，在某些情況下，鋰離子的高速移動也會破壞SEI膜
，影響電池性能。
所以，有沒有一種方式或是材料，能夠同時滿足鋰離子能高速移動，同時擁有寬工作溫域
呢？
浙大團隊在篩選溶劑時，發現FAN，即氟乙腈溶劑同時具有 低溶劑化能 ， 低鋰離子傳輸
能障 和 小分子尺寸溶劑 的特性。
△來源：浙江大學
也就是說，在FAN溶劑中，鋰離子與溶劑分子之間作用力較弱，只需要較少能量就能快速
移動，在低溫情況下也能穩定移動。
同時溶劑分子尺寸小，溶劑化鞘小，可與鋰離子相互作用並調節溶劑化結構，形成連續的
鋰離子運輸配體通道，促進鋰離子的化學反應。
團隊由此提出 配體通道促進傳輸機制 的概念，並引入 傳輸指數（TI） 此參數，來量化
鋰離子的傳輸行為。
https://tinyurl.com/zdv7sh3x
當TI=0時，鋰離子傳輸透過載體傳輸方式；當TI=1時，鋰離子則透過結構傳輸；而在一種
電解質的TI等於0.5時，此電解質能明顯促進配體通道傳輸。
團隊認為，TI可以作為設計具有超離子態理想電解質的有效參數。
浙大團隊不僅發現了FAN這種能達到寬工作溫域、高穩定性、高性能的電解液材料，也提
出衡量電解液離子傳導能力的新參數。
研究團隊介紹
論文研究團隊主要來自 浙江大學 ，不乏教學科研經驗兼備的資深教授、研究員。
第一作者為浙江大學材料科學與工程學院 陆迪陸迪博士，和李如宏研究員。
△右一：陸迪，來源：浙江大學
李如宏 博士畢業於哈爾濱工業大學，後來到浙江大學進行博士後研究工作。
現為浙江大學杭州國際科創中心創新研究院研究員、博士生導師，已發表SCI論文60餘篇
，被引超過1200次。
其他作者 Ling Lv 、 Yiqiang Huang 、 Chuangchao Sun 、 Shuoqing Zhang 、
Haikuo Zhang 、 Junbo Zhang 、 Sheng Yang 、 陳立新 教授、 範利武 長聘副教授
、 蕭學章 副教授也皆來自浙江大學。
另外，還有來自美國橡樹嶺國家實驗室的 Muhammad Mominur Rahman 博士，中國科
學院的 Pengyun Yu 、王建平研究員，以及馬裡蘭大學 鄧濤博士。 博士。
本文的通訊作者包括三位，來自浙大的 範修林 研究員，馬裡蘭大學 王春生 教授和布魯
克海文國家實驗室的 胡恩源 教授。
△範修林
範修林研究員特別指出，這種FAN電解液材料製造的電池成本還比較高，可以先應用於 極
地科考 、 空間探測 、 海底探勘 等極端溫度狀況。
不過隨著電解液技術的迭代，範修林研究員認為這種鋰離子電池足以應用進新能源汽車，
團隊已經和相關企業展開合作。
等到真的大規模上車的那一天，即使在冬天，電動車也不會是輕易掉電、續航打折的「電
動爸爸」了。
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