盖世汽车讯 尽管锂离子电池是应用最广泛的储能方式之一，但它们在低温下难以满负荷运行，有时甚至在高温下会发生爆炸。据外媒报道，宾夕法尼亚州立大学（Penn State）的研究人员提出了一种设计方案，有望解决各种气候条件下高效稳定储能的问题。这项发表在期刊《Joule》上的研究，探讨了一种名为全气候电池（ACB）的先进锂电池设计。

图片来源： Penn State

以往的设计方案都无法同时兼顾低温下的效率和高温下的稳定性——两者之间始终存在着权衡。经过十年电池研究的不断改进和深化，该团队开发出一种新型的开发方法，使活性炭电池能够在宽广的温度范围内保持稳定高效的性能。

据机械工程和化学工程教授、该项目首席研究员Chao-Yang Wang介绍，锂电池最初的设计用途并非如此广泛，它们最初是为个人电子设备在适中温度下（具体约为25摄氏度，略高于室温）运行而设计的。

Wang教授表示：“如今，锂电池已被集成到电动汽车、数据中心和大型系统中，这些系统运行温度很高，因此，如何稳定运行在如此高的温度范围内，对制造商来说是一个棘手的问题。为了继续利用锂电池驱动的大型系统提升社会福祉，我们需要解决这个根本性的设计缺陷。”

Wang教授指出，虽然目前采用外部加热或冷却机制来帮助维持电池的正常运行，但这些体积庞大、耗电量高的系统效率低下，而且需要频繁维护。

即使采用外部温度管理，锂电池在低温下性能也会下降，在高温下容量和稳定性也会降低——仅在-30至45摄氏度的外部温度范围内才能可靠运行，这严重限制了它们在极端环境下（例如卫星或沙漠中的太阳能发电厂）设备的应用。

为了解决这个问题，研究团队改进了之前ACB研究中使用的传统电池设计，提出在ACB内部集成加热元件。

这种新方法优化了电池结构材料，使其在高温环境下具有高稳定性和安全性，同时利用内部加热元件来支持电池在低温环境下的运行。

Wang教授表示，这种协同效应得到了现有研究的支持，它将使研究人员能够在不牺牲电池在一种气候条件下的稳定性和安全性的前提下，提升其在另一种气候条件下的性能。

“这是我们研究的关键所在——其他团队仅仅通过调整材料来提升电池在高温和低温环境下的性能，”Wang教授解释道。“通过优化高温环境下使用的材料，并加入内部加热器来加热电池，从而提升其在低温环境下的性能，我们可以解决这一热力学难题。”

研究人员将调整ACB（活性炭电池）中电极和电解质的材料组成——这些部件负责电池内部的电流传输——以更好地应对高温环境。王教授指出，传统锂电池中使用的液态电解质虽然高效，但其挥发性太强，无法在高温下可靠运行。

据Wang教授介绍，该团队计划采用的内部加热结构由一层厚度仅约10微米的镍箔薄膜构成，略大于一个红细胞。这种完全由电池供电的结构能够使系统实现温度自调节，同时几乎不会增加ACB的重量或体积。

Wang教授表示，这种协同效应将扩大电池可靠运行的环境范围，将其工作温度范围拓宽至-50至75摄氏度，并使研究人员能够将ACB应用于以前传统锂电池无法实现的领域。除了提高通用性之外，王教授还解释了移除外部热管理系统如何带来性能提升。

“通过将热管理系统集成到电池本身，我们显著减少了电池占用的空间，以及与外部加热或冷却相关的其他变量，”Wang教授说道。“成本、能耗和维护需求都显著降低，这意味着像数据中心这样使用数千块锂电池的系统可以节省大量成本。”

展望未来，Wang表示团队计划部署他们ACB。据Wang介绍，通过适当的开发和测试，ACB可以进一步优化，在高达70至85摄氏度的温度下运行，这对于支持日益增长的依赖电池储能的系统至关重要。

Wang教授表示：“我们的社会对能源的依赖程度越来越高，而且丝毫没有放缓的迹象。随着人工智能数据中心、高度先进的无人机和电动汽车等需要大量电力的技术不断发展，我们必须不断改进为它们供电的电池。”