电池在寒冷条件下无法正常工作——电池研究人员解释了低温下的化学反应

可充电电池非常适合存储能量和为从智能手机到电动汽车的电子设备供电。然而，在寒冷的环境中，它们可能更难以充电，甚至可能着火。

我是一名机械工程教授，从大学起就对电池感兴趣。我现在领导一个 电池研究组 在德雷塞尔大学。

在过去的十年里，我看了 锂离子电池价格下降 作为生产市场 已经变得更大了. 。未来预测预测市场可能达到 到 2030 年每年数千吉瓦时, ，显着增加。

但是，锂离子电池并不完美——这种增长也伴随着风险，例如它们在寒冷天气下会变慢，甚至着火。

锂离子电池背后

这 电化学储能 电池内部通过储存电力来工作 以离子形式. 。离子是具有非零电荷的原子，因为它们具有太多或不足的电子。

当您插入电动汽车或手机时，插座提供的电力 驱动这些离子 从电池的正极到负极。电极是电池中可以储存离子的固体材料，所有电池都有正极和负极。

电子以电力的形式穿过电池。随着每个电子传递到一个电极，锂离子也传递到同一电极。这确保了电池中的电荷平衡。当您驾驶汽车时，负极中存储的离子会移回正极，由此产生的电流为电机提供动力。

虽然 AA 或 AAA 电池可以为小型电子设备供电，但它们只能使用一次并且不能充电。可充电锂离子电池可以进行数千次完全充电和放电循环。对于每个周期，它们还可以存储比 AA 或 AAA 电池高得多的电量。

由于锂是最轻的金属，因此它具有很高的 比容量, ，这意味着它可以存储 每重量的巨额费用. 。这就是为什么锂离子电池不仅适用于便携式电子产品，而且适用于为重量或体积有限的运输方式（例如电动汽车）提供动力。

电池起火

然而，锂离子电池存在 AA 或 AAA 电池所没有的风险。其一，它们更容易着火。例如，数量 电动自行车电池起火 纽约市的报道在过去五年里从30个增加到近300个。

许多不同的问题都可能导致电池起火。制造质量差的电池可能含有缺陷，例如制造过程中留下的微量杂质或颗粒，这会增加内部故障的风险。

气候也会影响电池的运行。 电动车销售 美国各地的电池电量有所增加，特别是在东北部和中西部等寒冷地区，那里的寒冷气温会影响电池性能。

电池含有称为电解质的液体，低温会导致液体流动更慢。因此，电池中的电解质在寒冷中会变慢并变稠，导致内部的锂离子移动速度变慢。这种减慢会阻止锂离子正确插入电极。相反，它们可能沉积在电极表面并形成 锂金属.

如果充电时电极表面沉积过多锂，可能会导致内部短路。这个过程可以 引发电池火灾.

制造更安全的电池

我的研究小组, 与许多其他人一起，正在研究如何制造在寒冷条件下更有效运行的电池。

例如，研究人员正在探索更换常用的电池电解质，并用在低温下不会变稠的替代电解质代替。另一个潜在的选择是 加热电池组 充电前，以便充电过程在较温暖的温度下进行。

我的团队还在研究锂离子以外的新型电池。这些电池类型可能在更宽的温度范围内更稳定，甚至根本不使用液体电解质，或者使用钠而不是锂的电池。 钠离子电池 由于钠是一种非常丰富的资源，因此效果良好且成本较低。

固态电池 使用不易燃的固体电解质，可以降低火灾风险。但这些电池的工作效果不如锂离子电池，因此需要更多的研究来判断它们是否是一个好的选择。

锂离子电池是全国人民每天使用的动力技术，这些领域的研究旨在找到使该技术对消费者来说更加安全的解决方案。