中文字幕一级黄色A级片|免费特级毛片。性欧美日本|偷拍亚洲欧美1级片|成人黄色中文小说网|A级片视频在线观看|老司机网址在线观看|免费一级无码激情黄所|欧美三级片区精品网站999|日韩av超碰日本青青草成人|一区二区亚洲AV婷婷

發(fā)展極端低溫電池對(duì)于寒冷氣候下人類(lèi)的活動(dòng)以及極寒條件下的太空探索和深海研究具有重要的意義。然而，低溫下的電解液尤其是水系電解液存在著易凍結(jié)的問(wèn)題，阻礙了電池在低溫下應(yīng)用。在H2O-solute相圖中存在三類(lèi)典型的溫度參數(shù)：冰點(diǎn)(Tf)、共晶溫度(Te)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。傳統(tǒng)的低溫防凍電解液設(shè)計(jì)策略一般聚焦于調(diào)控電解液的Tf，然而Tf無(wú)法準(zhǔn)確反映出電解液的防凍低溫極限，僅通過(guò)調(diào)控Tf來(lái)設(shè)計(jì)防凍電解液，限制了高性能極端低溫電池的開(kāi)發(fā)。

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心胡勇勝研究員、陸雅翔副研究員與中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所趙君梅研究員和香港中文大學(xué)盧怡君教授合作，基于對(duì)H2O-solute相圖的深入理解以及大量差示掃描量熱數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)，提出了極端低溫電解液的新型設(shè)計(jì)策略，并實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)異的極低溫水系鈉離子電池（能量密度可達(dá)80Wh/kg, 循環(huán)壽命可達(dá)5000周，運(yùn)行溫區(qū)為-85℃至25℃）。該工作對(duì)極端低溫電解液的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)作用。相關(guān)成果于近日以 “Rational design of anti-freezing electrolytes for extremely low-temperature aqueous batteries” 為題在國(guó)際知名期刊Nature Energy上發(fā)表，第一作者為中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士生蔣禮威（現(xiàn)為香港中文大學(xué)博士后）、韓帥和松山湖材料實(shí)驗(yàn)室胡遠(yuǎn)超研究員。

基于對(duì)H2O-solute相圖的深入理解，發(fā)現(xiàn)Te決定了電解液的熱力學(xué)防凍低溫極限，而Tg則決定了電解液的動(dòng)力學(xué)防凍低溫極限，且只有在強(qiáng)過(guò)冷能力電解液體系中才能在Te和Tg之間保持足夠長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)冷液態(tài)。（見(jiàn)圖1）。

圖1 | 該圖展示了H2O-solute體系中稀溶液從高溫到低溫下的物態(tài)變化以及傳統(tǒng)策略（調(diào)控冰點(diǎn)Tf）和本文策略(調(diào)控Te和過(guò)冷能力) 的差別。其中Tf是指降溫過(guò)程中稀溶液的水轉(zhuǎn)變?yōu)楸臏囟?，Te是指降溫過(guò)程中稀溶液的水轉(zhuǎn)變?yōu)楸退消}結(jié)晶水混合物的溫度，Tg是指降溫過(guò)程中稀溶液的水轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度。 

因此，提出了設(shè)計(jì)低Te和強(qiáng)過(guò)冷能力的防凍電解液是實(shí)現(xiàn)極端低溫電池的重要路徑。隨后，基于對(duì)大量H2O-salt和H2O-solvent體系差示掃描量熱數(shù)據(jù)的總結(jié)歸納以及多溶質(zhì)體系往往比單溶質(zhì)體系具有更低Te的共識(shí)，提出了設(shè)計(jì)極端低溫水系電解液的通用策略：低Te和強(qiáng)過(guò)冷能力的防凍電解液可以通過(guò)引入具有高陽(yáng)離子勢(shì)的鹽或者高溶劑給體數(shù)的共溶劑構(gòu)建多溶質(zhì)體系來(lái)實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖2）。該策略是基于相圖的普適性特點(diǎn)而提出的，因此預(yù)期在未來(lái)還可以應(yīng)用于極端低溫非水系電解液的設(shè)計(jì)。

圖2 | 該圖通過(guò)總結(jié)大量差示掃描量熱數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)具有強(qiáng)陽(yáng)離子勢(shì)的H2O-salt體系或者具有高溶劑給體數(shù)的H2O-solvent體系往往會(huì)具有強(qiáng)過(guò)冷能力。隨后提出一般性策略：低共晶溫度和強(qiáng)過(guò)冷能力的電解液可以通過(guò)引入具有高陽(yáng)離子勢(shì)的鹽或者高溶劑給體數(shù)的共溶劑來(lái)構(gòu)建多溶質(zhì)體系來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后以鈉離子電池的低溫水系電解液設(shè)計(jì)為例，通過(guò)引入高陽(yáng)離子勢(shì)的鹽（Al3+, Ca2+）和高溶劑給體數(shù)溶劑（乙二醇，即EG）設(shè)計(jì)了一系列鈉基極端低溫防凍電解液。

以鈉離子電池的低溫水系電解液設(shè)計(jì)為例，通過(guò)引入高陽(yáng)離子勢(shì)的鹽（比如Al3+, Ca2+）和高溶劑給體數(shù)溶劑（比如乙二醇，即EG），設(shè)計(jì)了一系列鈉基的極端低溫防凍電解液并實(shí)現(xiàn)了極低的Te (-53.5℃至-72.6℃)和Tg (-86.1℃至-117.1℃)。基于設(shè)計(jì)的防凍電解液，組裝的NaFeMnHCF/H50EG50-2m NaCF3SO3/NaTi2(PO4)3電池室溫下能量密度80Wh/kg，8C倍率下循環(huán)5000周后容量保持率為70%，可以在-60℃至25℃之間正常工作，并在-70℃下點(diǎn)亮LED燈 （見(jiàn)圖3）。組裝的NaFeMnHCF/1m NaClO4 + 4mCa(ClO4)2/PTCDI電池室溫下能量密度65.7 Wh/kg，4C倍率下循環(huán)250周循環(huán)容量保持91.1%，且所組裝的10mAh軟包電池能在-85℃至25℃之間正常工作（見(jiàn)圖3）。 

圖3 | 該圖展示了基于所設(shè)計(jì)的極端低溫防凍電解液組裝的全電池性能。其中NaFeMnHCF/H50EG50-2m NaCF3SO3/NaTi2(PO4)3電池的室溫能量密度可達(dá)80Wh/kg，8C倍率下循環(huán)5000周后容量保持率70%，且能在-60℃至25℃之間運(yùn)行并在-70℃下點(diǎn)亮LED燈。NaFeMnHCF/1m NaClO4 + 4m Ca(ClO4)2/PTCDI電池的室溫能量密度可達(dá)65.7 Wh/kg，4C倍率下循環(huán)250周循環(huán)容量保持91.1%，且所組裝的10mAh軟包電池能在-85℃至25℃之間正常工作。

相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(52122214，52072370)、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)(2020006)、江蘇省碳達(dá)峰碳中和科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng) (BE2022002-5)、北京市自然科學(xué)基金(2222078)、廣西電網(wǎng)項(xiàng)目(GXKJXM20210260)、香港特別行政區(qū)研究資助局 (CUHK 14308622和C1002-21G)的支持。

文章信息

Liwei Jiang#, Shuai Han#, Yuan-Chao Hu#, Yang Yang, Yaxiang Lu*, Yi-Chun Lu*, Junmei Zhao*, Liquan Chen & Yong-Sheng Hu*. Rational design of anti-freezing electrolytes for extremely low-temperature aqueous batteries. Nature Energy, 2024, DOI: 10.1038/s41560-024-01527-5.