在 2024 年初，當極地漩渦襲擊芝加哥時，該市的電動車充電站變成了車輛墳場。許多 Tesla 車輛因為寒冷的天氣而電池無法運作，被拖走的數量驚人。這一事件成為綠色能源轉型的重要警示：如果電池無法應對嚴寒的冬天，這項技術又如何應對未來的挑戰呢？為了解決這一問題，德克薩斯 A&M 大學的研究團隊在 Dr. Jodie Lutkenhaus 的領導下，開發出一種新的聚合物基電池，旨在極端寒冷的環境下運作。
這項創新針對目前電動車和備用電池的一個主要缺陷，即當液體電解質結冰時，它們往往會失效。Lutkenhaus 表示：「我們能做到這一點是因為我們用不會結冰的不同電解質取代了會結冰的液體電解質。我們還用在低溫下稍微快一些的柔性聚合物材料取代了在低溫下運作緩慢的硬無機材料。」
傳統鋰離子電池依賴液體電解質來移動電荷，當溫度驟降時，液體會變得更稠或結冰，阻礙能量流動。Lutkenhaus 解釋道：「如果電解質結冰，那麼電荷就無法被運輸。因此，電池將無法充電或放電。」在 2024 年芝加哥的冷氣團中，電動車的電池如此寒冷和結冰，以至於無法在充電站進行充電。
為了提升寒冷天氣下的性能，研究團隊開發了一種有機雙離子電池，將標準的剛性無機電極替換為靈活的氧化還原活性聚合物。這些靈活的有機材料使得離子能夠自由移動，即便是在 -40°C 的極端低溫下。該聚合物與基於二甘醇的電解質結合，這是一種在極端低溫下仍然保持液態和功能的專用溶液，而標準電池液體在此溫度下通常會結晶並失效。
在測試中，這種設計減少了寒冷天氣下的能量損失，在 0°C 時保持了 85% 的容量，而在 -40°C 時則保持了 55% 的容量，並且沒有犧牲特定功率速率。
此外，研究人員通過用碳纖維編織物取代重而脆的金屬收集器來提高耐用性。這項創新創造了一種結構電池，具有雙重功能：既能儲存能量，又能提供支持車輛或設備框架所需的物理強度。該設計減輕了整體重量，並防止了在惡劣環境中標準電池經常出現的機械龜裂。現有電池在寒冷環境中失效是因為離子的移動速度減慢，但這種新設計通過將低溫電解質與靈活的聚合物電極配對，避免了這一崩潰現象。
這一發展是朝著冬季防護能源儲存的重要一步，能夠保障從手持設備到國家電網的各種需求。Lutkenhaus 提到：「在大風暴或冷氣團中，電網可能會癱瘓。電池可以填補這些中斷和空隙。如果我們希望能源系統在四季中都能保持韌性，就需要儲存不受溫度波動影響的解決方案。」
儘管這項技術仍在開發中，但它顯示出材料科學能夠解決長期以來的能源難題。不過，Dr. Lutkenhaus 仍然建議一個簡單的解決方案：將電動車停在溫暖的車庫中，以防止現有電池結冰。這項研究發表於《材料化學 A 雜誌》中。
