“碳阳极上的黎曼表面可在-35°C下储存锂离子”
ACS中央科学
当气温降到零下时，手机需要频繁充电，电动汽车的行驶里程也更短。这是因为他们的锂离子电池的阳极变得迟钝，充电更少，能量消耗更快。为了改善极端寒冷环境下的电气性能，ACS中央科学研究所的研究人员用凹凸的碳基材料取代了锂离子电池中的传统石墨阳极，使其可再充电的存储容量保持在-31华氏度。
锂离子电池非常适合为可充电电子设备供电，因为它们可以储存大量能量，而且寿命长。但当温度降到冰点以下时，这些能源的电性能就会下降，而当温度足够低时，它们可能无法传递任何电荷。这就是为什么生活在美国中西部的一些人在隆冬时节电动汽车出现问题的原因，也是为什么在太空探索中使用这些电池有风险的原因。最近，科学家们确定，正极中石墨的扁平方向是锂离子电池在低温下储能能力下降的原因。因此，王曦（Xi Wang）、姚建年（Jiannian Yao）及其同事希望修改碳基材料的表面结构，以改善阳极的电荷转移过程。
为了制造这种新材料，研究人员在高温下加热了一种含钴的咪唑沸石骨架（称为ZIF-67）。由此得到的12面碳纳米球表面凹凸不平，显示出优异的电荷转移能力。然后，研究小组测试了这种材料在硬币形电池中作为阳极、金属锂作为阴极的电性能。该阳极在77℉至-4℉的温度下表现出稳定的充放电，并将85.9%的室温储能能力维持在略低于冰点的水平。相比之下，由石墨和碳纳米管等其他碳基阳极制成的锂离子电池在冰点温度下几乎不带电。当研究人员将空气温度降至-31华氏度时，由凹凸纳米球制成的阳极仍然可以再充电，并且在放电过程中，几乎100%的电荷释放到电池中。研究人员表示，将这种凹凸不平的纳米球材料加入锂离子电池中，可以为在极低温度下使用这些能源提供可能性。
作者感谢中央大学基础研究基金（中国）、国家自然科学基金、国家科技部、广东省科技项目、广东化学化工实验室和北京交通大学的资助。