Penyelesaian Suhu Bawah Sifar
Cuaca musim sejuk sejak sekian lama menjadi musuh utama peranti berkuasa bateri. Telefon pintar tiba-tiba mati ketika perjalanan ski, dron menjunam dari langit yang membeku, manakala pemandu kenderaan elektrik melihat anggaran jarak pemanduan merosot apabila suhu menurun. Kegagalan ini berpunca daripada batasan asas kimia bateri litium-ion konvensional, yang pergerakan ionnya penting untuk membekalkan kuasa menjadi perlahan dalam suhu sejuk, sekali gus mengurangkan kapasiti tersedia sebanyak separuh atau lebih dalam keadaan yang teruk. Bagi penduduk di kawasan beriklim utara, rasa kecewa apabila peranti gagal berfungsi ketika paling diperlukan sudah menjadi gangguan bermusim yang diterima sebagai perkara biasa. Kini, sekumpulan penyelidik China mendakwa berjaya mengatasi batasan ini menerusi reka bentuk semula elektrolit bateri secara radikal. Elektrolit ialah medium kimia penting yang mengangkut ion antara elektrod dan bertindak sebagai laluan pemindahan tenaga di dalam sel.
Kandungan
Dalam kajian yang diterbitkan bulan lalu dalam jurnal berprestij Nature, saintis dari Universiti Nankai dan Institut Sumber Kuasa Angkasa Shanghai menghuraikan elektrolit baharu berasaskan hidrofluorokarbon yang membolehkan bateri logam litium mencapai ketumpatan tenaga melebihi 700 watt jam sekilogram pada suhu bilik, sambil mengekalkan operasi stabil pada suhu serendah minus 94 darjah Fahrenheit. Sebagai perbandingan, bateri litium-ion konvensional lazimnya membekalkan kira-kira 136 watt jam sekilogram pada suhu bilik, dengan prestasinya merosot kepada kurang daripada 68 watt jam sekilogram dalam keadaan bawah sifar. Kemajuan ini berpotensi menggandakan atau menggandakan tiga kali kapasiti simpanan tenaga bagi berat bateri yang sama, sekali gus menangani dua halangan paling berterusan dalam teknologi penyimpanan tenaga: ketumpatan dan kebolehpercayaan dalam cuaca sejuk. Penyelidikan ini mencabar andaian selama beberapa dekad tentang kimia elektrolit, sambil menawarkan penyelesaian berskala untuk penyimpanan tenaga generasi seterusnya.
Menilai Semula Penyelarasan Molekul
Teras setiap bateri ialah elektrolit, iaitu bahan yang membolehkan zarah bercas mengalir antara elektrod positif dan negatif. Elektrolit bateri litium tradisional bergantung pada pelarut karbonat yang mengandungi atom oksigen, yang melarutkan garam litium dengan berkesan melalui interaksi ion-dipol yang kuat. Walaupun kimia penyelarasan oksigen ini menguasai industri selama beberapa dekad kerana ia menstabilkan garam terlarut, ia menimbulkan kompromi besar yang mengehadkan prestasi keseluruhan. Interaksi kuat antara litium dan oksigen menghalang pemindahan cas pada antara muka elektrod serta mengehadkan prestasi dalam persekitaran sejuk, sekali gus mewujudkan kesesakan bagi ketumpatan tenaga dan operasi suhu rendah. Bahan ini juga memerlukan kuantiti yang banyak untuk berfungsi dengan berkesan, menambah berat dan saiz, selain gagal memindahkan cas dengan cekap di bawah tekanan haba.
Pasukan penyelidikan yang diketuai Jun Chen dan Qing Zhao dari Universiti Nankai, bersama Yong Li dari Institut Sumber Kuasa Angkasa Shanghai, mencabar andaian lama bahawa ligan berasaskan oksigen tidak boleh diketepikan untuk menghasilkan elektrolit yang berkesan. Mereka mereka bentuk dan mensintesis molekul pelarut hidrokarbon berfluorin yang baharu, khususnya dengan menggunakan 1,3-difluoro-propana sebagai komponen teras. Sebatian ini menghasilkan sistem penyelarasan fluorin yang menggantikan interaksi tradisional litium-oksigen dengan ikatan litium-fluorin yang lebih lemah. Penyelarasan yang lebih lemah itu melancarkan aliran ion dan mengurangkan halangan pelarutan, membolehkan pemindahan cas lebih pantas walaupun dalam tekanan haba yang melampau, di samping membolehkan sistem beroperasi dengan kuantiti bahan elektrolit yang lebih kecil.
Spesifikasi teknikal yang diperincikan dalam penerbitan Nature menunjukkan besarnya perubahan kimia ini. Elektrolit hidrofluorokarbon itu mempunyai kelikatan yang amat rendah pada 0.95 sentipoise, kestabilan pengoksidaan yang tinggi melebihi 4.9 volt, serta mengekalkan kekonduksian ion sebanyak 0.29 milisiemens per sentimeter pada minus 70 darjah Celsius. Sifat ini membolehkan sel poket logam litium mencapai kecekapan Coulomb, iaitu ukuran kecekapan pemindahan cas semasa kitaran pengecasan, sebanyak 99.7% pada suhu bilik dan 98% pada minus 70 darjah Celsius. Ligan berasaskan fluorin dengan halangan sterik yang direka bentuk membolehkan garam larut melebihi 2 mol seliter, sekali gus mencabar andaian terdahulu tentang keupayaan hidrokarbon berfluorin.
Kebimbangan Jarak Pemanduan Ada Tandingannya
Implikasi praktikal terhadap pengangkutan elektrik amat besar dan jelas kepada sesiapa sahaja yang pernah teragak-agak membeli kenderaan elektrik kerana bimbang tentang perjalanan jauh atau prestasi ketika musim sejuk. Bateri EV masa kini lazimnya membolehkan jarak pemanduan antara 310 hingga 370 batu dengan sekali cas dalam keadaan optimum. Angka ini merosot dengan ketara dalam cuaca sejuk apabila sistem pemanas menggunakan kuasa dan tindak balas kimia menjadi perlahan. Menurut Li Yong, penyelidik di Institut Sumber Kuasa Angkasa Shanghai, teknologi baharu ini berpotensi meningkatkan jarak pemanduan dengan ketara sambil mengekalkan prestasi dalam keadaan membeku. Dalam temu bual dengan Science and Technology Daily, akhbar rasmi kementerian, Li menjelaskan potensi perubahan besar hasil penemuan ini untuk kegunaan pengguna.
"Dengan peningkatan kapasiti simpanan tenaga pada suhu bilik sebanyak dua hingga tiga kali ganda bagi bateri yang mempunyai berat sama, jarak pemanduan kenderaan elektrik boleh meningkat daripada 500-600 kilometer kepada lebih 1,000 kilometer," kata Li. Peningkatan ini membolehkan kenderaan bergerak kira-kira 620 batu dengan sekali cas, lebih kurang sama seperti jarak antara Denver dengan Dallas, sekali gus menghapuskan kebimbangan tentang jarak pemanduan bagi perjalanan jauh dan ulang-alik antara bandar.
Selain keupayaan jarak pemanduan semata-mata, teknologi ini menangani kemerosotan prestasi bermusim yang kini menjejaskan penerimaan EV di kawasan beriklim lebih sejuk. Bateri konvensional kehilangan kapasiti yang besar pada musim sejuk, kadangkala mengekalkan kurang daripada separuh jarak pemanduan berpenarafan dalam suhu beku, sambil memerlukan sistem pemanas yang menggunakan banyak tenaga untuk mengekalkan operasi. Elektrolit hidrofluorokarbon itu mengekalkan kira-kira 400 watt jam sekilogram pada minus 58 darjah Fahrenheit, memastikan kenderaan terus boleh digunakan ketika musim sejuk yang teruk tanpa memerlukan pemanas bateri atau sistem pengurusan haba yang menggunakan kuasa tambahan. Kecekapan pengecasan 99.7% yang ditunjukkan dalam keadaan makmal mencadangkan bateri ini semakin baik mengekalkan kuasa sepanjang kitaran penggunaan yang berpanjangan.
Aplikasi Di Luar Jalan Raya
Walaupun aplikasi automotif segera menarik perhatian orang ramai, penyelidik menegaskan teknologi ini turut melangkaui kenderaan penumpang, merangkumi bidang industri dan saintifik khusus. Institut Sumber Kuasa Angkasa Shanghai beroperasi di bawah Perbadanan Sains dan Teknologi Aeroangkasa China, yang menunjukkan potensi penggunaan segera untuk kapal angkasa, satelit dan prob planet yang beroperasi dalam persekitaran terma melampau. Di sana, suhu boleh berubah daripada haba terik kepada kesejukan kriogenik dalam satu orbit atau sepanjang operasi di permukaan planet. Bateri berketumpatan tenaga tinggi yang menggunakan elektrolit ini boleh meningkatkan daya tahan dan kapasiti muatan dron pengawasan yang beroperasi di Artik, membolehkan sistem robotik pintar berfungsi sepanjang malam kutub tanpa perlindungan haba, serta membekalkan kuasa kepada peralatan saintifik di stesen penyelidikan Antartika yang bateri konvensionalnya cepat gagal.
Elektronik pengguna juga berpotensi mendapat manfaat yang sama daripada keupayaannya berfungsi dalam cuaca sejuk. Telefon pintar dan peranti mudah alih masa kini bergelut mengekalkan hayat bateri ketika cuaca sejuk, aduan lazim dalam kalangan pengguna di kawasan beriklim utara dan peminat sukan musim sejuk yang mendapati peranti mereka mati secara tiba-tiba walaupun masih menunjukkan baki cas. Kimia berasaskan fluorin ini boleh membolehkan peranti mengekalkan fungsi penuh pada suhu yang akan menyebabkan bateri konvensional tidak berfungsi, sekali gus berpotensi memanjangkan tempoh operasi suar kecemasan, unit GPS dan peralatan komunikasi di kawasan hutan belantara. Misi penerokaan angkasa lepas yang menghadapi turun naik suhu daripada haba melampau hingga sejuk kriogenik boleh menggunakan sel ini untuk operasi di permukaan Bulan atau Marikh, tempat kestabilan terma penting bagi kejayaan misi dan pengurusan haba konvensional menambah berat yang melampau.
Kebolehgunaan yang meluas ini berpunca daripada reka bentuk semula asas sifat fizikal elektrolit tersebut. Dengan mengurangkan kelikatan pelarut dan memperbaik sifat pembasahan, sistem ini memerlukan jumlah bahan elektrolit keseluruhan yang lebih kecil, sekali gus mengurangkan berat bateri sambil meningkatkan prestasi merentasi julat suhu. Gabungan tenaga tentu tinggi dan keupayaan beroperasi dalam julat suhu luas masih sukar dicapai dalam sistem bateri komersial masa kini, menjadikan pendekatan hidrofluorokarbon ini amat bernilai bagi aplikasi aeroangkasa, yang setiap gram berat penting dan keadaan terma berubah dengan ketara antara pendedahan kepada matahari dengan kawasan terlindung.
Dari Makmal ke Barisan Pemasangan
Walaupun hasil yang menjanjikan telah diterbitkan dalam jurnal yang melalui penilaian rakan sebaya, cabaran kejuruteraan yang besar masih perlu diatasi sebelum bateri ini muncul dalam produk komersial untuk pengguna. Pasukan penyelidikan mengakui bahawa kestabilan pada suhu tinggi memerlukan pembangunan dan pengoptimuman tambahan. Walaupun elektrolit ini cemerlang dalam keadaan sejuk melampau, prestasi dan keselamatan pada suhu melebihi 212 darjah Fahrenheit perlu dipertingkatkan agar ia benar-benar boleh beroperasi dalam semua iklim, termasuk persekitaran gurun yang panas atau ketika pengecasan pantas yang menghasilkan haba ketara. Meningkatkan takat didih sebatian hidrofluorokarbon tanpa mengorbankan kelebihan suhu rendah merupakan halangan teknikal seterusnya yang perlu diatasi penyelidik.
Jadual masa untuk pengkomersialan kelihatan lebih pantas berbanding kitaran pembangunan bateri lazim. Sumber industri menunjukkan pengeluar China, termasuk Institut Sumber Kuasa Angkasa Shanghai, menyasarkan keupayaan pengeluaran besar-besaran menjelang akhir 2026. Jadual yang bercita-cita tinggi ini mencerminkan strategi lebih luas China untuk mengekalkan penguasaan dalam pengeluaran bateri global dan teknologi tenaga bersih. Negara itu kini menguasai kira-kira 60% kapasiti pembuatan litium-ion global dan terus melabur besar dalam penyelidikan asas untuk menguasai teknologi generasi seterusnya. Pembangunan ini melengkapi inovasi China yang lain baru-baru ini, termasuk bateri berasaskan air yang menggunakan air garam tauhu dan mencapai 120,000 kitaran pengecasan untuk aplikasi penyimpanan tenaga grid statik. Ini menunjukkan pendekatan menyeluruh dalam memajukan penyimpanan tenaga merentasi pelbagai kimia dan kegunaan.
Kerjasama antara institusi akademik dengan rakan industri nampaknya menjadi teras strategi pengkomersialan. Chen Jun, ahli akademik Akademi Sains China dan naib presiden Universiti Nankai, menekankan kepentingan aplikasi praktikal berbanding penemuan teori dalam kenyataan terbaharu mengenai proses pemindahan teknologi ini.
"Kita tidak boleh sentiasa terperuk di menara gading. Matlamat kita adalah untuk menangani cabaran industri sebenar," kata Chen. Pasukannya sudah menjalin kerjasama dengan pengeluar automotif bagi menterjemahkan dapatan makmal kepada komponen rangkaian kuasa yang mampu menahan keadaan jalan raya sebenar.
Yan Zhenhua, profesor di Kolej Kimia Universiti Nankai, berkata teknologi ini menangani kebimbangan keselamatan dan kos yang sejak sekian lama dikaitkan dengan bateri logam litium. Elektrolit komposit yang dibangunkan sendiri itu meningkatkan keselamatan intrinsik dan jangka hayat kitaran dengan ketara, sekali gus berpotensi mengatasi reputasi berisiko tinggi yang sebelum ini mengehadkan pengkomersialan bateri logam litium walaupun ia mempunyai kelebihan teori berbanding seni bina litium-ion masa kini.
Persaingan Bateri Global
Penemuan ini muncul ketika persaingan antarabangsa untuk menguasai teknologi bateri semakin sengit, yang berkemungkinan menentukan pihak yang meraih kelebihan ekonomi dalam peralihan tenaga. Sesetengah negara menumpukan perhatian pada halangan kawal selia dan sekatan perdagangan untuk melindungi keupayaan pembuatan domestik, manakala China memberi tumpuan kepada penyelidikan asas dan pengkomersialan pantas melalui makmal yang disokong kerajaan serta kerjasama erat antara universiti dengan industri. Elektrolit hidrofluorokarbon ini menyimpang secara asas daripada kimia sedia ada dan berpotensi membolehkan pengeluar China melangkaui teknologi generasi masa kini, bukannya sekadar menyamai keupayaan sedia ada melalui penambahbaikan berperingkat. Penglibatan Institut Sumber Kuasa Angkasa Shanghai, kemudahan penyelidikan aeroangkasa utama yang disokong kerajaan, menunjukkan sokongan kerajaan yang besar untuk memperluas inovasi ini.
Inovasi ini menonjolkan jurang berterusan antara penerbitan akademik dengan pengeluaran besar-besaran dalam bidang sains bahan termaju. Seperti yang diakui secara meluas oleh penyelidik bateri, makalah dalam Nature dan barisan pemasangan kilang masih dipisahkan oleh cabaran kejuruteraan, kesukaran meningkatkan skala, pembangunan rantaian bekalan dan pengoptimuman kos yang mengambil masa bertahun-tahun. Namun, penglibatan entiti aeroangkasa dan automotif yang disokong kerajaan menunjukkan sumber yang besar akan disalurkan untuk mengatasi halangan ini, termasuk pembinaan barisan pengeluaran perintis dan kemudahan ujian. Jika berjaya, teknologi ini boleh mengubah landskap persaingan kenderaan elektrik, khususnya di pasaran yang mengalami musim sejuk teruk, tempat teknologi bateri semasa bergelut dan pengguna secara semula jadi kurang cenderung untuk beralih kepada EV.
Bagi pengguna yang mempertimbangkan peralihan kepada kenderaan elektrik, perkembangan ini menunjukkan bahawa menunggu sehingga 2027 atau 2028 untuk kenderaan generasi seterusnya mungkin memberikan peningkatan jarak pemanduan dan kebolehpercayaan yang benar-benar mengubah keadaan, bukannya kemajuan kecil. Gabungan keupayaan jarak pemanduan 600 batu dan daya tahan dalam cuaca sejuk menangani dua bantahan paling lazim terhadap penggunaan EV dalam kalangan pembeli arus perdana. Seperti yang dinyatakan Lu Tianjun, pengurus besar Teknologi Bateri Tenaga Baharu Automotif China, mengenai pembangunan bateri termaju berkaitan dalam ekosistem China, prestasinya menunjukkan peningkatan kira-kira 50% berbanding teknologi masa kini yang tersedia kepada pengguna. Ini meletakkan bateri tersebut pada tahap terkemuka di dalam dan luar negara, selain berpotensi menjadikan kenderaan elektrik benar-benar lebih baik berbanding kenderaan enjin pembakaran dalaman untuk perjalanan jauh.
Ringkasan
- Penyelidik China membangunkan elektrolit berasaskan hidrofluorokarbon yang membolehkan bateri logam litium mencapai ketumpatan tenaga melebihi 700 watt jam sekilogram, lebih dua kali ganda berbanding sel litium-ion konvensional.
- Teknologi ini kekal beroperasi pada suhu serendah minus 94 darjah Fahrenheit, sambil mengekalkan kira-kira 400 watt jam sekilogram pada minus 58 darjah Fahrenheit.
- Kenderaan elektrik yang menggunakan bateri ini berpotensi mencapai jarak pemanduan melebihi 620 batu dengan sekali cas, berbanding purata semasa 310 hingga 370 batu.
- Penemuan ini menggantikan kimia penyelarasan oksigen tradisional dengan ligan berasaskan fluorin, khususnya menggunakan 1,3-difluoro-propana sebagai komponen teras pelarut.
- Pasukan penyelidik dari Universiti Nankai dan Institut Sumber Kuasa Angkasa Shanghai menerbitkan dapatan mereka dalam jurnal Nature pada 25 Februari 2026.
- Kestabilan pada suhu tinggi masih menjadi batasan dan memerlukan penyelidikan tambahan sebelum teknologi ini benar-benar boleh digunakan dalam semua iklim.
- Pengeluaran besar-besaran disasarkan bermula pada akhir 2026, dengan aplikasi merangkumi kenderaan elektrik, aeroangkasa, dron, robotik dan penerokaan angkasa lepas.
