난계대 연구원, 영하 50도 배터리 전해액 개발
전문가 해설
난카이대학교(南开大学) 화학대학원 자오칭(赵庆) 연구원과 중국과학원(中国科学院) 원사이자 난카이대 상무부총장인 천쥔(陈军) 연구팀, 그리고 상하이우주전원연구소(上海空间电源研究所) 리융(李永) 연구원이 공동으로 수행한 신 배터리 전해액 연구가 주목 받고 있습니다. 배터리 전해액은 양극과 음극 사이에서 리튬이온을 운반하여 충·방전을 가능하게 하는 핵심 소재 입니다. 기존의 산소 리간드(oxygen ligand) 중심 전해액 설계는 영하 50도에서 배터리 작동이 거의 불가능하다는 문제점이 있습니다. 하지만 이번 연구에서 제시하는 불소 리간드(flourine ligand) 중심 전해액은 이러한 단점을 극복하였습니다. 새로 개발된 리튬금속전지는 실온에서 700Wh/kg에 달하는 높은 에너지 밀도를 구현했으며, 영하 50℃의 극저온 환경에서도 약 400Wh/kg에 가까운 에너지 밀도를 유지했습니다.
전기차, 드론, 로봇, 항공우주 등의 분야들이 인기와 기술이 상승세에 있다는 것을 감안하면, 이러한 연구 성과의 활용처가 다양 합니다. 아직 상용화 단계에 도달하지는 못하였지만 향후 안정성과 경제성이 뒷받침된다면, 극한 환경 기술 분야에서도 중요한 전환점이 될 가능성이 높다고 판단됩니다.
전기차, 드론, 로봇, 항공우주 등의 분야들이 인기와 기술이 상승세에 있다는 것을 감안하면, 이러한 연구 성과의 활용처가 다양 합니다. 아직 상용화 단계에 도달하지는 못하였지만 향후 안정성과 경제성이 뒷받침된다면, 극한 환경 기술 분야에서도 중요한 전환점이 될 가능성이 높다고 판단됩니다.
요약
한국어 요약: 중국 과학자들이 리튬 배터리의 새로운 설계를 발표하여, 50도 이하에서도 고효율 전하발전을 가능하게 했다. 이러한 기술은 신能源 자동차 및极地 探索 등 다양한 산업에 적용될 수 있다.
科技日报记者 陈曦 通讯员 李享
记者2月26日从南开大学获悉，该校化学学院研究员赵庆，中国科学院院士、南开大学常务副校长陈军团队，联合上海空间电源研究所研究员李永在《自然》发表突破性成果。研究团队打破锂电池延续两百年的“氧配位”传统，创新设计出氟配位的新型电解液。该技术用氟原子取代氧原子溶解锂盐，大幅提升溶剂利用率，成功研制出能量密度高达700瓦时/公斤的锂金属电池。更关键的是，新电池在零下50摄氏度的极寒环境中，仍能释放接近400瓦时/公斤的高能量，为新能源汽车及极地探索等场景提供全新动力方案。
据介绍，自1800年伏特发明了电堆（伏特电池）起，电池已经深入我们生活的各个角落。从铅酸电池、镍氢电池再到被称为现代社会“能量心脏”的锂电池，电池体系的变革离不开电解液的更新迭代。
长久以来，氧原子被认为是电解液溶剂中不可或缺的元素。如目前商用的锂电池电解液通常由锂盐和碳酸酯类溶剂组成，锂与碳酸酯溶剂中氧的离子—偶极作用可促进锂盐的溶解。然而，这种溶剂浸润性差，用量多，导致电池能量密度始终难以进一步提升；同时，强相互作用会阻碍电池中界面电荷转移，限制低温性能，通常-50℃以下电池就难以工作。
为此，南开大学团队设计合成了系列新型氟代烃溶剂分子，通过调控氟原子的电子密度和溶剂分子的空间位阻，实现电解液中锂盐的有效溶解，成功取代了传统的锂—氧配位方式。
通过进一步优化分子结构，团队厘清了该类电解液的设计原则和锂金属相容性规律。相比于传统基于锂—氧配位的电解液体系，由于氟代烃溶剂浸润性好，利用率高，可显著降低电解液用量；同时锂与氟配位更弱，在低温下可摆脱束缚，仍具有快速的电荷转移动力学。从而助力实现室温700瓦时/公斤超高比能锂金属电池，同时在-50℃环境中，电池仍展现出接近400瓦时/公斤的高能量密度。
赵庆介绍，通过氟配位实现锂盐溶解的关键是调控氟原子的电子密度和溶剂分子的空间位阻，新研发锂电池具有高比能、耐低温等优势。
“基于该电解液的高比能电池在新能源汽车、具身智能机器人、低空经济以及极寒地区和航空航天等领域具有广阔的应用潜力。”陈军说。
记者2月26日从南开大学获悉，该校化学学院研究员赵庆，中国科学院院士、南开大学常务副校长陈军团队，联合上海空间电源研究所研究员李永在《自然》发表突破性成果。研究团队打破锂电池延续两百年的“氧配位”传统，创新设计出氟配位的新型电解液。该技术用氟原子取代氧原子溶解锂盐，大幅提升溶剂利用率，成功研制出能量密度高达700瓦时/公斤的锂金属电池。更关键的是，新电池在零下50摄氏度的极寒环境中，仍能释放接近400瓦时/公斤的高能量，为新能源汽车及极地探索等场景提供全新动力方案。
据介绍，自1800年伏特发明了电堆（伏特电池）起，电池已经深入我们生活的各个角落。从铅酸电池、镍氢电池再到被称为现代社会“能量心脏”的锂电池，电池体系的变革离不开电解液的更新迭代。
长久以来，氧原子被认为是电解液溶剂中不可或缺的元素。如目前商用的锂电池电解液通常由锂盐和碳酸酯类溶剂组成，锂与碳酸酯溶剂中氧的离子—偶极作用可促进锂盐的溶解。然而，这种溶剂浸润性差，用量多，导致电池能量密度始终难以进一步提升；同时，强相互作用会阻碍电池中界面电荷转移，限制低温性能，通常-50℃以下电池就难以工作。
为此，南开大学团队设计合成了系列新型氟代烃溶剂分子，通过调控氟原子的电子密度和溶剂分子的空间位阻，实现电解液中锂盐的有效溶解，成功取代了传统的锂—氧配位方式。
通过进一步优化分子结构，团队厘清了该类电解液的设计原则和锂金属相容性规律。相比于传统基于锂—氧配位的电解液体系，由于氟代烃溶剂浸润性好，利用率高，可显著降低电解液用量；同时锂与氟配位更弱，在低温下可摆脱束缚，仍具有快速的电荷转移动力学。从而助力实现室温700瓦时/公斤超高比能锂金属电池，同时在-50℃环境中，电池仍展现出接近400瓦时/公斤的高能量密度。
赵庆介绍，通过氟配位实现锂盐溶解的关键是调控氟原子的电子密度和溶剂分子的空间位阻，新研发锂电池具有高比能、耐低温等优势。
“基于该电解液的高比能电池在新能源汽车、具身智能机器人、低空经济以及极寒地区和航空航天等领域具有广阔的应用潜力。”陈军说。