北理工團(tuán)隊(duì)在極端環(huán)境電能源研究方面取得系列進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-06-04 供稿：材料學(xué)院 攝影：材料學(xué)院
編輯：劉曉雪 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
在人類不斷向遙遠(yuǎn)星空、海洋腹地、地球深處、極寒之地探索的進(jìn)程中，穩(wěn)定可靠的能源系統(tǒng)成為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、生命保障、性能監(jiān)測(cè)、信息傳輸?shù)热蝿?wù)的必要支撐。然而，最具代表性的“三深一極”（深空、深海、深地、極地）極端環(huán)境是不可避免的使役環(huán)境，往往伴隨著超低溫、超高溫、超高壓、低真空、強(qiáng)輻射和強(qiáng)腐蝕等復(fù)雜工況下的多重耦合因素作用，導(dǎo)致電池材料異變、熱失控、輻照損傷、性能退化等多模式失效，給儲(chǔ)能器件的高能量密度、高功率密度和超長(zhǎng)壽命、高安全服役帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2025年5月，北京理工大學(xué)材料學(xué)院吳鋒院士、陳人杰教授團(tuán)隊(duì)聚焦于極端環(huán)境下的電化學(xué)儲(chǔ)能開展了系列探索研究工作，并以“Electrochemical Energy Storage toward Extreme Conditions： Driving Human Exploration Beyond Current Boundaries”為題在國(guó)際頂級(jí)期刊《Chemical Reviews》（影響因子：51.5）上發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)梳理了當(dāng)前在深空、深海、深地、極地等極端環(huán)境下的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)、關(guān)鍵科學(xué)問題、先進(jìn)技術(shù)路線以及未來(lái)發(fā)展方向。北京理工大學(xué)陳人杰教授為論文的通訊作者，材料學(xué)院博士后尚妍欣為第一作者、黃永鑫副教授為共同一作。文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.4c00863。
本綜述系統(tǒng)梳理了近年來(lái)極端環(huán)境儲(chǔ)能電池的研究現(xiàn)狀，著重從極端溫度、極端壓力、高能輻射、濕度、微重力、超重力等角度梳理了能源器件應(yīng)對(duì)極端條件的最新研究進(jìn)展和主要挑戰(zhàn)，深入剖析了極端工況對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)及電解質(zhì)、電極材料、界面行為及電化學(xué)耦合過(guò)程的影響，并提出了解決這些棘手問題的研究策略。
圖1. 深海環(huán)境應(yīng)用裝備所需的各類能源器件。
圖2. 電池性能參數(shù)與極端環(huán)境條件的對(duì)應(yīng)關(guān)系和定量公式。
綜述通過(guò)理論模擬從材料微觀物理化學(xué)機(jī)制水平到整體電能源系統(tǒng)進(jìn)行了全面概述，總結(jié)了基于各種電化學(xué)與環(huán)境條件耦合模型的相關(guān)理論公式，分析了極端溫度、極端壓力等對(duì)電池微觀溶劑化結(jié)構(gòu)、離子擴(kuò)散和輸運(yùn)等關(guān)鍵性能參數(shù)的影響機(jī)制，明確構(gòu)建基于電化學(xué)-環(huán)境耦合的理論模型和關(guān)系方程是開發(fā)極端環(huán)境適用電池體系及材料的關(guān)鍵。
圖3. 月球探測(cè)未來(lái)電源發(fā)展需求。
圖4. 火星探測(cè)未來(lái)電源發(fā)展需求。
隨著載人登月、火星移民及小行星資源開發(fā)任務(wù)的不斷推進(jìn)，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)被賦予更高的可靠性、安全性與環(huán)境適應(yīng)性要求。本綜述前瞻性地展望了下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)在月球超長(zhǎng)極晝極夜極寒、火星稀薄大氣及小行星表面高輻射等環(huán)境下的運(yùn)行模式，構(gòu)建了探月、探火的能源技術(shù)需求圖譜。提出適用于月球晝夜溫差劇烈變化的特異功能電池材料設(shè)計(jì)策略（表面溫差高達(dá)300°C），以應(yīng)對(duì)熱脹冷縮、界面失穩(wěn)及電解質(zhì)降解等核心挑戰(zhàn)。在火星探測(cè)任務(wù)中，針對(duì)火星表面具有顯著的晝夜溫差（-125°C至20°C）與富含二氧化碳的大氣特性，提出特異空氣氣氛下的Li-CO2電池等金屬電池新體系，支撐未來(lái)火星基地電池的持續(xù)運(yùn)行。該愿景不僅聚焦材料本體性能的極限突破，也強(qiáng)調(diào)能源系統(tǒng)與深空環(huán)境的深度耦合，為深空電能源科技的創(chuàng)新發(fā)展提供戰(zhàn)略支撐。
課題組在前期研究中重點(diǎn)聚焦于復(fù)雜工況條件下的高比能量?jī)?chǔ)能體系的構(gòu)建，圍繞超高能量密度（600-800Wh/kg）電池系統(tǒng)，開展了在寬溫域、高電壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)性能的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。針對(duì)深空探測(cè)的特殊氣氛環(huán)境，系統(tǒng)探索了金屬-氣體新型電池體系，實(shí)現(xiàn)了超臨界Li-CO2電池、Li-N2電池的可逆循環(huán)，初步驗(yàn)證了其在火星等富含CO2或惰性氣體的大氣環(huán)境中的適應(yīng)性與應(yīng)用潛力。近期在二次電池極端環(huán)境研究方面的部分代表性工作如下：
A Universal Strategy for High-Voltage Aqueous Batteries via lone Pair Electrons as hydrogen Bond-Breaker. Energy and Environmental Science, 2022, 15（6）： 2653-2663.（IF=32.4, 第一作者：尚妍欣博士）（提出一種選擇“氫鍵捕獲”溶劑的通用策略，共溶劑的孤電子對(duì)作為氫鍵接收位點(diǎn)，將電解液冰點(diǎn)降低至-85℃，實(shí)現(xiàn)極端低溫穩(wěn)定性）論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2EE00417H
Super-Ionic Conductor Soft Filler Promotes Li+ Transport in Integrated Cathode-Electrolyte for Solid-State Battery at Room Temperature, Advanced Materials, 2024, 36(27): 2403078.（IF=27.4，第一作者：楊斌斌博士）（超離子導(dǎo)體軟填料協(xié)同配位高效促進(jìn)鋰離子運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)在極端電流密度穩(wěn)定運(yùn)行）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202403078
Low-Entropy and Fast-Li+-Conducting Electrolyte with Cascade Reaction-Induced Robust Interphase for Fast-Charging Lithium Metal Batteries. Angewandte Chemie, 2025, 64, e202504116.（IF=16.1, 第一作者：李瑤碩士）（通過(guò)級(jí)聯(lián)反應(yīng)機(jī)制構(gòu)筑低熵電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)富含LiF的穩(wěn)定SEI層，提升鋰金屬電池在極端快充條件下的循環(huán)穩(wěn)定性）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202504116
Screening Metal Cation Additives Driven by Differential Capacitance for Zn Batteries, Energy and Environmental Science, 2024,17, 4794-4802.（IF=32.4, 第一作者：胡正強(qiáng)博士）（基于差分電容方法篩選金屬元素，引入高價(jià)金屬離子減小擴(kuò)散層厚度，實(shí)現(xiàn)電極在高倍率下的循環(huán)穩(wěn)定性）論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4EE01127A
Tiny-Ligand Solvation Electrolyte Enabled Fast-Charging Aqueous Batteries. Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64, e202423808.（IF=16.1, 第一作者：尚妍欣博士）（利用具有低結(jié)合能的空間位阻基團(tuán)構(gòu)建了小配體電解質(zhì)的新準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)電解液在-80~80℃的極端寬溫適應(yīng)性及超快充循環(huán)穩(wěn)定性）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202423808
Facilitating Oriented Dense Deposition: Utilizing Crystal Plane End-Capping Reagent to Construct Dendrite-Free and Highly Corrosion-Resistant (100) Crystal Plane Zinc Anode, Advanced Materials, 2024, 36(41): 2407145. （IF=27.4，第一作者：王輝榮博士）（構(gòu)建電極界面疏水外殼或定向結(jié)構(gòu)抵御外界侵蝕，實(shí)現(xiàn)鋅離子電池中離子沉積和成核生長(zhǎng)過(guò)程的穩(wěn)定調(diào)控）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202407145
Anion-Dominated Conventional-Concentrations Electrolyte to Improve Low-Temperature Performance of Lithium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials, 2024, 34, 2400337.（IF=18.5, 第一作者：封邁碩士）（提出雙陰離子驅(qū)動(dòng)機(jī)制顯著降低界面去溶劑化能壘，使Li/NCM811電池在極端低溫-50℃實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202400337
Spin-polarized d-orbital filling in cobalt catalysts boosts solution-mediated Li-O2 batteries. National Science Review, 2025, 12, 6, nwaf145.（IF=16.3, 第一作者：張鳳玲博士）（在極端特異環(huán)境下催化電池中的多界面化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電池的高能量效率和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性）論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf145
Decoding the Entropy-Performance Relationship in Aqueous Electrolytes for Lithium-Ion Batteries, Advanced Energy Materials, 2025, 2406118.（IF=24.4, 第一作者：尚妍欣博士）（通過(guò)探討混合熵ΔSmix、氫鍵和靜電相互作用與實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電解質(zhì)低溫性能的構(gòu)效機(jī)制，將電解質(zhì)極端低溫凝固點(diǎn)降至-106.95 ℃）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202406118
Synergy of In Situ Heterogeneous Interphases with Hydrogen Bond Reconstruction Enabling Highly Reversible Zn Anode at ?40 ℃, Advanced Functional Materials, 2024, 2413807.（IF=18.5, 第一作者：周安彬博士）（采用生物活性綠色溶劑γ-戊內(nèi)酯構(gòu)建共溶劑電解液，使鋅離子電池在極端低溫?40 ℃條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)性能）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202413807
附作者簡(jiǎn)介：
尚妍欣，北京理工大學(xué)材料學(xué)院博士后，合作導(dǎo)師為吳鋒院士、陳人杰教授，擔(dān)任北京理工大學(xué)博士后聯(lián)誼會(huì)秘書長(zhǎng)，研究方向?yàn)榻饘俣坞姵仉娊庖杭皹O端環(huán)境多場(chǎng)耦合的電池能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化機(jī)制。獲批國(guó)家自然科學(xué)青年基金、博新計(jì)劃、博士后面上一等和山東省自然科學(xué)青年基金，以第一作者在Chemical Reviews、Advanced Materials、Angewandte Chemie、Energy &Environmental Science、Advanced Energy Materials等國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表多篇SCI學(xué)術(shù)論文，申請(qǐng)專利10余項(xiàng)，兩次受邀作為主講人面向全校開展科研基金申報(bào)大講堂，受邀在世界能源材料大會(huì)、國(guó)際能源材料化學(xué)研討會(huì)作多次會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告。
黃永鑫，北京理工大學(xué)材料學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師。研究方向包括高比能二次電池新體系與新機(jī)制，先進(jìn)原位表征與理論模擬等。以第一/通訊作者在Joule，Advanced Materials，Angewandte Chemie等高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，以第一發(fā)明人授權(quán)發(fā)明專利4項(xiàng)。入選中科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃，主持國(guó)家自然科學(xué)基金、省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目等課題。
陳人杰，北京理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。入選國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃，英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、中國(guó)工程前沿杰出青年學(xué)者等。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關(guān)鍵材料、新型離子液體及功能復(fù)合電解質(zhì)材料、特種電源用新型薄膜材料與結(jié)構(gòu)器件、綠色二次電池資源化再生、智能電池及信息能源融合交叉技術(shù)等方面的教學(xué)和科研工作。
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