大冬天在北方寒风凛冽的室外用手机，上一分钟还有几格电，下一分钟就直接关机……这场景熟悉不熟悉？手机在低温下罢工的原因绝大部分还是在电池上。锂离子电池工作时，锂离子（Li+）会在正极和负极之间移动，所谓“摇椅式”锂离子电池嵌锂脱锂机理，而低温下Li+ 活性降低，从而影响电池正常工作。简单的说，原本电池是有电的，但温度太低让Li+ “冻成狗”，Li+ 跑不动了电池的可用电量也就下降了。这种情况下把手机在怀里焐一会儿，然后再用，或许能救一时之急。手机个头小好说，像是电动汽车这类大家伙，万一在低温下罢工了，又该怎么办呢？
锂离子“跑步”机理。图片来自网络
近日，美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Y. Shirley Meng教授课题组在Science 上发表文章，报道了一种全新的“液化气”电解质策略，可以大幅改善锂离子电池和超级电容器这些电化学储能器件在低温下的性能。其中，锂离子电池的工作温度拓展到零下60摄氏度且不影响室温性能，而超级电容器的工作温度范围则拓展到零下80摄氏度至零上65摄氏度。
Meng教授团队所用的“液化气”并不是通常做饭用的液化石油气，她们将二氟甲烷、氟甲烷等常温常压下的气体物质液化之后用做电解质的溶剂系统。通常认为，常温常压下的气态物质通常是非极性的，分子间作用力很低，这阻止了它们在室温下液化，甚至在冷却、加压后液态下溶解盐的能力。而极性气体如二氟甲烷在低温或中等压力下，就可以液化，并且对锂盐表现出良好的溶解性，以此类液化气体为溶剂的电解质比标准电解质更耐低温。
研究者首先要证明这些液化气体适合做电解质溶剂。作者筛选了6种液化气体：氟甲烷（FM）、二氟甲烷（DFM）、氟乙烷（FE）、1,1-二氟乙烷（1,1-DFE）、1,1,1,2-四氟乙烷（1,1,1,2-TFE）、2-氟丙烷（2-FP）。结果发现，氟甲烷（FM）和二氟甲烷（DFM）相比常规电解质溶剂四氢呋喃（THF）和碳酸乙烯酯（EC）有更好的化学稳定性。同时，由于它们的粘度非常低，在这些溶剂中离子迁移率会相当高。“低粘度意味着较高的离子迁移率，这意味着电池或电容器具有高导电性，即使是在极端寒冷的环境下。”Rustomji说。此外，这些溶剂很容易达到超临界点，超临界相的零表面张力为其提供了优异的润湿性，更容易进入材料的纳米孔道。
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