寬溫域鋰電池重大突破梳理

傳統鋰電池在溫度劇烈變化時會出現性能衰退或失效，如低溫會導致電解液粘度增加、鋰離子傳輸受阻，出現充電難、容量驟降等問題；高溫則會加速電極材料腐蝕和電解液分解，引發安全隱患。極端溫度環境（如極地科考、航空航天、高寒/高熱地區新能源車運行）對電池的寬溫域穩定性提出剛性需求。那么目前學術屆在寬溫區鋰電池方面都用哪些值得關注的突破？

學術界在寬溫區鋰電池的突破集中于電解液工程、界面動態調控及固態電解質創新。以下是我們整理的近期重要突破。

一、寬溫域電解液開發

1.1?寬溫域電解液

西安交通大學化工學院唐偉教授聯合東南大學吳宇平教授、上海交大杲祥文副教授、空間電源所李永研究員、德國卡爾斯魯厄理工學院Stefano Passerini（斯特凡諾·帕塞里尼）教授組成的國際化創新團隊基于對SEI化學的調控，設計了一種寬溫域電解液（WTAE）。通過構筑局部高濃電解液，將鋰離子溶劑化結構從溶劑主導轉變為陰離子主導，促進陰離子分解，從而在鋰金屬負極表面構造了富含LiF等無機組分的SEI界面。電化學性能測試、理論模擬計算、界面表征以及原位光學觀察的結果共同證明，富含LiF等無機組分的SEI能夠有效促進Li⁺在SEI中的擴散并加速Li⁺在SEI處的去溶劑化，從而提升鋰金屬負極的動力學性能，并進一步抑制低溫下的鋰枝晶生長。因此，使用該電解液組裝的5.8 Ah軟包電池能夠在-40到60 ℃的寬溫度范圍內運行，實現25 ℃時503.3 Wh kg^-1的高能量密度和260次循環的優異壽命，以及-40 ℃時339 Wh kg^-1的超高放電能量密度。這項工作展示了理解SEI化學的重要性，為寬溫域電解液的設計提供了有效的策略，對推動寬溫域鋰金屬電池的技術突破和商業化進程具有重要指導意義。

該研究成果以《寬溫域500 Wh kg^-1鋰金屬軟包電池》（Wide temperature 500 Wh kg^-1?lithium metal pouch cells）為題發表在國際權威期刊《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。

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1.2?雙功能電解液

西安交通大學化學學院丁書江教授、郗凱教授和高國新副教授課題組利用電解液工程為寬溫域鋰金屬電池構建了高離子傳導性堅固界面相，實現了鋰金屬電池的寬溫域循環穩定性。他們將1,3-丙磺酸內脂、乙酸乙酯和FEC添加到商用電解液中設計了一種同時穩定鋰金屬電池正負極界面相的雙功能電解液。其中1,3-丙磺酸內酯用于構建具有無機內層和有機外層的堅固CEI，確保了正極結構的完整性；而FEC用于構建富無機SEI，用于抑制電解液的副反應，促進Li⁺的快速運輸；乙酸乙酯可確保電解液在寬溫域內應用。最終，所組裝的鋰對稱電池在寬溫度下表現出低過電勢和長穩定循環（30 °C，1000 h）。優化后的電解液也適用于磷酸鐵鋰和鈷酸鋰正極（1000次循環，容量保留率：67%）。在貧液條件下（g/Ah級）和寬溫域范圍內（-40 °C~+60 °C），Li||NCM811和石墨||NCM811軟包電池均可正常工作。本工作為寬溫度范圍內高能量密度LMBs電解液的設計提供了新的視角。該研究成果以《構建寬溫域鋰金屬電池中堅固的高離子傳導性界面相的電解液工程》（Electrolyte Engineering to Construct Robust Interphase with High Ionic Conductivity for Wide Temperature Range Lithium Metal Batteries）為題發表于化學領域國際權威期刊《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)上。

二、正負極界面優化與材料創新

1.正極界面“烷基鏈搖曳”設計

中國科學院青海鹽湖研究所研究員李武、張波團隊在寬溫域鎂基鋰離子電池研究領域取得進展。研究團隊通過對電池正極界面進行“烷基鏈搖曳”設計，統一了鋰離子電池高、低溫性能增強機制，電池寬溫域循環性能相較已報道工作有了大幅提升。

研究團隊以吐溫80（Tween80）為框架物質構建了一種弱交聯柔性受限空間，采用電沉積獲得了所需超細納米氫氧化鎂載體（D₅₀=15 nm），并通過Tween80原位改性實現納米氫氧化鎂功能化。研究人員用所得材料對鋰電池三元正極材料（LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂）進行表面修飾，并進行電池組裝和性能測試。原位紅外分析表明，Li?與 Tween80 分子間存在持續的配位和解離過程，使Tween80分子荷電狀態發生動態變化，并在電場作用下發生連續的構型轉變，即“烷基鏈搖曳”行為。烷基鏈搖曳使得納米氫氧化鎂在電池循環伊始就參與反應，快速形成薄而致密的富鎂無機正極固態電解質界面膜。這種膜熱穩定性高、耐腐蝕性強，能夠有效抵御高溫電解液攻擊。在低溫環境下，電解液通常會在正極表面積聚，并常因流動性差而阻礙鋰離子傳輸。此時烷基鏈搖曳可顯著促進電解液的界面流動，兼之富鎂界面層具有優異離子導電性，使鋰離子低溫傳輸變得順暢。研究結果表明，通過“烷基鏈搖曳”界面驅動設計，鋰離子電池可在60℃穩定充放電1000圈以上，同時保持70 mAh/g容量和90%以上庫侖效率。在-5℃和-15℃分別循環500圈、200圈后，容量仍能保持在80 mAh/g以上。此外，研究發現在配備熱管控系統后，電池實際寬溫域性能有望進一步提升。相關研究成果以Lithium-Ion Batteries with Superlong Cycle-Life in Wide Temperature Range via Interfacial Alkyl-Chain Sway為題，發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。

2.負極材料與SEI層優化

中科院深圳先進技術研究院唐永炳研究員團隊開發鋁基負極材料的寬溫域鋰離子電池，能量密度較傳統電池提升13%-25%，支持-70℃至80℃極端溫域，20分鐘快充。通過鋁箔替代傳統石墨負極和銅箔集流體，降低成本30%以上。基于該技術，研發團隊孵化了深圳中科瑞能實業有限公司。據介紹，電池在黑龍江黑河實地冬測中展現了卓越性能，零下30℃時，驅動新能源車的續航達成率達74.4%，遠超行業平均水平；零下50℃條件下放電容量保持率仍超60%。

三、固態/準固態電解質技術

3.1?原位準固態聚合物電解質

北化曹鵬飛/南開楊化濱團隊設計并制備了一種柔性、高離子導電性和低溫適用的準固態聚合物電解質（QSPE），該電解質在廣泛的溫度范圍（—20～60℃）內實現了穩定的鋰金屬負極。通過在低熔點溶劑（1,3-二氧雜環己烷（DOL）或乙基二氟乙酸酯（EDFA）)中原位聚合聚乙二醇（PEO）基單體制備的QSPE賦予了其低溫耐受性、顯著的離子導電性（—20°C時為4.5×10^—4 S cm^—1）以及在廣泛溫度范圍內卓越的電化學性能。因此，使用基于DOL的QSPE（D-QSPE），Li/D-QSPE/LiFePO4電池在—20℃下表現出穩定的長期循環性能（550次循環后容量退化最小）和出色的快速充電能力（在5 C條件下1300次循環后的容量保持率為81%）。即使采用薄鋰箔（25 μm）和高質量負載的LiFePO4正極(2.5 mAh cm^—2），組裝的Li/LFP電池在N/P比為1.96的情況下，在—20℃下仍表現出良好的循環性能。此外，基于EDFA的QSPE（E-QSPE）允許LMBs在?20℃下循環超過140次（容量保持率> 95 %)，使用NCM811陰極。通過克服準固態聚合物LMBs在寒冷氣候中緩慢的離子傳輸動力學，開發的聚合物電解質為安全、高容量和寬溫操作的電池提供了新的途徑。該研究成果在Energy Storage Materials上發表了最新研究性論文“In-situ formation of quasi-solid polymer electrolyte for wide-temperature applicable Li-metal batteries”。

3.2 “葉脈”結構復合電解質

大連理工大學材料科學與工程學院董旭峰教授與黃昊教授合作展示了近期研究的一種新型“葉脈葉肉”結構準固態凝膠電解質的創新設計與制備。靈感源于天然材料——樹葉，靜電紡絲納米纖維網絡充當“葉脈”，提供有力的支撐與抗穿刺性；運用紫外線固化技術在納米纖維的外層原位生成CG-PAM雙組分凝膠涂層，形成“葉肉”結構。所獲得的QSE具備穩定的電化學性能，并被賦予獨特的功能性，特別是阻燃性與抗凍性顯著提高。這種QSE材料展示出了優異的阻燃性（30分鐘不可燃性）、寬電化學窗口（4.2 V）、高抗拉強度（0.25 MPa）、優良的抗凍性（-60°C下）及電化學性能穩定（500次充放電循環后，容量保持75%）。該材料的優異性能展現了先進電解質材料的設計理念與材料選擇的多樣性，確保電化學儲能器件在極端環境如深空、極地探險等方面的安全應用。相關成果以“先進寬溫—阻燃的‘葉脈’結構功能復合準固態電解質的應用”（Application of Advanced Wide-Temperature Range and Flame retardant “Leaf-Vein” Structured functionality Composite Quasi-Solid-State Electrolyte）為題在能源材料領域著名期刊《能源存儲材料》（Energy Storage Materials）上發表。

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