这款锂离子电池在极寒天气下仍能持续运行

很少有近期发明能比不起眼的锂离子电池更能证明其价值。锂离子电池问世至今只有 30 年，但它却为全世界的智能手机和电动汽车提供了动力。作为可再生能源电网的重要组成部分，锂离子电池将变得越来越重要。

自 20 世纪 90 年代初以来，这些电池的价格已下降了 30 多倍，尽管它们的功率越来越大。但它们并不完美。首先，它们在极寒环境下表现不佳。在那些经历过严寒冬季的人并不陌生的温度下，这些电池无法保持电量，也无法提供电量。

但科学家们正在尝试制造更耐用的电池。6 月 8 日，在《ACS Central Science》杂志上发表的一篇论文中，来自中国几所大学的化学工程师共同合作，制造出一种可在零下 31°F 的低温下保持性能的电池。

从过去的研究中，科学家知道大多数锂离子电池在零下 4°F 左右开始失去电量。低于这个温度，它们就无法储存那么多电量，也无法很好地传输电量——这意味着它们更难用来发电。温度越低，它们的性能就越差。

对于世界上大多数地方来说，零下温度都不是问题。但如果你住在美国中西部，你的电动汽车在 1 月份的续航里程可能会比你想象的要短。如果你曾在寒冷的冬天被困在户外，你可能会注意到手机的电池消耗得更快。

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这一缺点还意味着，锂离子电池在其他经常经历零度以下寒冷的地方无法像工程师所希望的那样正常工作：山顶、商用飞机飞行的空中或寒冷的无光空间。

因此，布鲁克海文国家实验室的电池化学家胡恩远（未参与该论文）表示，有大量研究致力于解决这个问题。为此，工程师和化学家必须对电池的内部结构进行改进。

锂离子电池的核心由两块带电板组成，一块为负极板，另一块为正极板。中间空间填充有电解质，电解质是一种含有溶解离子的导电浆体。负极板通常以碳为基础，例如石墨；正极板通常含有金属和氧原子。

正是锂离子使电池运转起来，因此得名。

当电池运行时，这些离子会从正极板中落下，像鱼儿顺流而下一样穿过电解液，然后落到负极板上，在这个过程中产生持续的电流。当你插入电池进行充电时，电流会迫使离子向相反的方向逃逸。这个过程没有太多问题，而且这些移动的锂离子可以连续数小时为你的手机或汽车提供能量。

也就是说，电池在温度降至零下 4°F 以下之前都能正常工作。过去几年，科学家发现，问题很大程度上与离子本身的运动有关，离子很难正常离开电解液并落到负极板上。科学家试图通过制造更坚固、更耐寒的电解液来缓解这一问题。

然而，这些最新的研究人员采取了不同的方法：他们改变了碳基负极板。他们决定用一种全新的材料代替石墨。他们将含钴化合物加热到极高的温度——接近 800°F——产生由碳原子构成的小块，形状像 12 面骰子。研究人员将这些碳十二面体制成比扁平石墨更凹凸不平的板，使其能够更好地抓住锂离子。

当他们测试电池时，发现它在零下 31°F 的严寒环境下也能正常工作。即使经过 200 多次放电、充电和再充电循环，该电池仍能保持其性能。

“这种材料在科学上很有意思，”胡说。“但它的实际应用可能有限，因为它需要复杂的合成路线。”

这就是问题所在。与许多材料一样，试图真正制造出更多这种微小的碳球是一项挑战。钴化合物相当昂贵，这也于事无补。另一方面，胡说，这项研究可能对非常具体的应用有所帮助。

这并不是探索的结束，而是下一步的渐进步骤。但随着每一天的过去，科学家们正在进一步突破这些关键电池的极限。