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有人也许有过这样的经验，在冰天雪地的室外拿手机靠近冰棱想拍照时，手机突然灭了，再次开机时，手机电量只剩一半甚至更少！在严寒（-20℃）天气下开电动汽车的车主也许也会发现电动汽车的续航能力掉了一半，以至于电动汽车在严冬天气下的表现有点“臭名昭著”。尽管现在的电动汽车大部分都配备了电池加热系统，以尽可能的保证电池的性能不下降，但是加热系统会大量的消耗电池的能量，同样会导致电动汽车的续航能力下降。经研究证实，石墨作为最先进的商业锂离子电池负极，其放电比容量在-20℃时，从372mAh/g迅速衰减至仅剩12mAh/g！锂离子电池在低温条件下表现不佳，严重限制了电动汽车在寒冷地区的普及，这个问题引起了科学界和工业界的高度关注。学术界的科学家们一直在苦苦寻找新的方法来解决锂离子电池在严寒天气下性能严重下降的难题，在过去的几年里，科学家们发现大部分问题都与离子本身的运动有关，锂离子在严寒天气下很难正确地穿过电解质到达电极。到目前为止，各种策略主要集中在电解质和电极上，要么通过定制电解质结构和引入电解质添加剂来降低冰点和提高离子电导率，即通过制造更耐寒的电解质来解决上述问题；要么对电极结构进行表面改性以降低界面处的电荷转移能垒。最近，由中科院和北京交通大学的研究人员合作在学术期刊《ACS Central Science》上发表的一项研究，获得了重要的突破！使得锂离子电池即使在极寒温度（-35℃）条件下运行，依然能保持较高的容量！在极寒温度条件下，锂离子与石墨层中的碳位点结合太弱，这可能是锂离子电池低温运行的基本障碍，因此，解决低温电池容量损失的关键在于调整碳负极的表面电子构型，以加强锂离子与吸附位点之间的配位作用，降低电荷转移过程的活化能。理论计算表明，与零曲率的平面相比，曲面与锂的结合能力更强，特别是正曲率的结构，使得在极冷环境下实现碳负极的高容量成为可能。然而，具有正曲率的碳负极作为低温下用于锂离子存储的高容量电极材料从未实现过，其潜在的结构-性能关系尚未在理论和实验上得到揭示。这个研究的研究人员实现了电极材料耐低温的首次突破！他们通过直接低温热解沸石咪唑酯骨架制备了锚定在十二面体碳骨架上的多层洋葱状的碳纳米球，其具有非共面黎曼表面，具有正曲率。在常温25°C条件下，用于锂离子电池的这种碳纳米球碳负极在50次充放电循环后，其放电比容量为823mAh/g，而作为对照的石墨为372mAh/g。当温度降至 -10°C 时，它的容量难以置信地保持在 756 mAh/g；随着温度进一步降低至-20 °C时，它依然表现出了624mAh/g的高可逆容量，容量损失约为14%，远远超过商业上最先进的零曲率石墨平面（放电比容量已经降至19 mAh/g）！即使温度继续降至-35 °C，这种碳负极在200次充放电循环后，容量依然保持在160mAh/g，而石墨负极在如此低的温度条件下，容量已经丧失殆尽，电池停止运行。这项研究令人感到惊叹，-20 °C对于人类的居住环境来说，已经是极低的温度，使用这种新型碳负极的锂离子电池的容量损失竟然只有14%！这种耐低温电极材料如果能商用，意味着电动汽车车主再也不用担心车辆的续航里程在严寒天气下的衰减，这无疑将会推动电动汽车在全球的普及。这个研究到这里并没有结束，它不会仅限于实验室研究，它为锂离子电池耐低温电极材料的应用打开了大门，未来我们将会看到更多更好的新型耐低温电极材料的出现。
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