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南開陳軍院士/張凱EES綜述: 寬溫可充電鋰電池的挑戰(zhàn)與進(jìn)展

可充電鋰電池（RLB，包括鋰離子和鋰金屬系統(tǒng)），由于其低成本、可持續(xù)性、環(huán)境友好性、時(shí)間和空間可轉(zhuǎn)移性而受到廣泛關(guān)注。然而，當(dāng)長期或定期暴露在惡劣環(huán)境中時(shí)，傳統(tǒng)的RLB將無法工作，尤其是在低溫（LT，低于0°C）和高溫（HT，高于60°C）區(qū)域。到目前為止，還沒有針對(duì)LT、HT和全氣候運(yùn)行的RLB的綜合機(jī)制分析和調(diào)節(jié)策略。

在此，南開大學(xué)陳軍院士、張凱研究員等人全面總結(jié)了RLB在不同工作溫度下運(yùn)行的新進(jìn)展，特別是在促進(jìn) LT、HT和寬溫條件下RLB的電極和電解質(zhì)材料的發(fā)展方面。首先，作者專注于深入分析在LT和HT運(yùn)行的RLB的故障機(jī)制。

然后，系統(tǒng)地介紹了基于關(guān)鍵材料和組件實(shí)現(xiàn)的低溫RLBs突破。此外，作者還徹底總結(jié)了HT RLB的實(shí)現(xiàn)策略。對(duì)于這兩種情況，都深入討論了材料及其電化學(xué)性能之間的基本結(jié)構(gòu)-有效性關(guān)系。最后，作者對(duì)全氣候可充電RLB進(jìn)行了展望，希望這篇綜述將闡明開發(fā)用于不同溫度范圍的先進(jìn)RLB。

圖1. LT條件下主要電極優(yōu)化策略示意圖

作者認(rèn)為：

（1）針對(duì)目前LT RLB的發(fā)展，應(yīng)開發(fā)比Li//LVP系統(tǒng)容量更高的Li//LFP作為LT電池系統(tǒng)，通過摻雜高價(jià)金屬元素可以改善LFP的LT動(dòng)力學(xué)。此外，可以開發(fā)非極性氟化分子作為溶劑以降低去溶劑化能壘；

（2）對(duì)于HT RLB，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)更加注意界面副反應(yīng)。層狀富鎳材料仍有發(fā)展前景，應(yīng)優(yōu)化鎳鈷含量。對(duì)于改性策略，建議開發(fā)精確的靶向摻雜和原子級(jí)涂層技術(shù)（盡可能少地引入非活性物質(zhì)）。在電池組件方面，應(yīng)強(qiáng)調(diào)耐高溫隔膜的作用并降低其成本。此外，固態(tài)電池也是提高其HT性能的有效方法。

（3）對(duì)于全氣候型RLB，應(yīng)專注于提高現(xiàn)有RT/HT穩(wěn)定電池系統(tǒng)的LT性能及現(xiàn)有全溫電池系統(tǒng)的能量密度。

圖2. HT條件下電極、電解質(zhì)和隔膜優(yōu)化策略的示意圖

最后，作者重點(diǎn)列出了即將開展的全氣候RLBs調(diào)查的一些關(guān)鍵方法和技術(shù)要點(diǎn)：

（1）通過機(jī)器學(xué)習(xí)智能篩選溫度相關(guān)材料；

（2）變溫條件下材料的原位表征演化；

（3）考慮量產(chǎn)與實(shí)際應(yīng)用的綜合評(píng)價(jià)。

考慮到對(duì)先進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)日益增長的需求，本文所概述的越來越多的前沿方法、理論工具和策略將投入實(shí)際應(yīng)用，上述問題將最終得到解決，從而進(jìn)一步為大規(guī)模商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展開辟道路。

Challenges and Advances for Wide-Temperature Rechargeable Lithium Batteries, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D1EE03292E

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