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鋰離子電池 (LIB) 是各種商業(yè)化可充電電池中能量密度最高的，激發(fā)了3C設(shè)備、電動(dòng)汽車和固定儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用熱潮。然而，基于碳酸亞乙酯電解液和石墨負(fù)極的商業(yè)鋰離子電池的高性能只能在-20°C以上才能實(shí)現(xiàn)，這限制了其在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。

在此，美國(guó)馬里蘭大學(xué)王春生教授及浙江大學(xué)范修林研究員等人全面回顧了低溫鋰離子/金屬電池的最新研究進(jìn)展，包括潛在機(jī)制和有前景的策略。作者總結(jié)了顯著限制了LIBs在低溫下性能的4個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

（1）電解液潤(rùn)濕性和離子電導(dǎo)率的下降；

(2) 緩慢的界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，包括SEI中的Li⁺去溶劑化、電荷轉(zhuǎn)移和Li⁺傳輸；

(3) Li⁺在電極中的緩慢擴(kuò)散；

(4) 負(fù)極表面鍍鋰可能造成“短路”。為了克服這些棘手的問(wèn)題，作者提出了有前景的策略：i）合理調(diào)整溶劑、鋰鹽和添加劑以提高低溫離子電導(dǎo)率，降低去溶劑化能并形成富含無(wú)機(jī)物的薄SEI；(ii) 摻雜、表面涂層及電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等以促進(jìn)Li⁺擴(kuò)散；iii) 抑制負(fù)極上的鋰電鍍和枝晶生長(zhǎng)；iv)其他策略，例如自加熱或電池配置優(yōu)化。

圖1. 鋰離子/金屬電池的發(fā)展及低溫限制

最后，作者給出了低溫鋰離子/金屬電池的未來(lái)展望：

1）深入了解電池內(nèi)的界面過(guò)程，先進(jìn)的原位表征方法和理論計(jì)算可能有助于獲得這些過(guò)程的原子級(jí)知識(shí)，應(yīng)特別注意去溶劑化過(guò)程；

2）探索先進(jìn)的低溫電解液是商業(yè)電池化學(xué)最有效的方法之一，富含無(wú)機(jī)物的SEI是低溫電解液的首選；

3）構(gòu)建新的電池化學(xué)，其中溶劑化的Li⁺作為一個(gè)整體參與反應(yīng)而不去溶劑化，這是最大化低溫性能的一個(gè)有前途方向；

4）有效利用電池運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量可以幫助電池在較低的外部溫度下運(yùn)行，如何安排配置使成本最小化、效果最大化是工程創(chuàng)新的關(guān)鍵。

圖2. “自加熱”電池機(jī)制及配置優(yōu)化

Critical review on low-temperature Li-ion/metal batteries, Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202107899

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王春生/范修林AM綜述: 低溫鋰離子/金屬電池的潛在機(jī)制與策略

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