南开陈军院士/张凯EES综述: 宽温可充电锂电池的挑战与进展

可充电锂电池（RLB，包括锂离子和锂金属系统），由于其低成本、可持续性、环境友好性、时间和空间可转移性而受到广泛关注。然而，当长期或定期暴露在恶劣环境中时，传统的RLB将无法工作，尤其是在低温（LT，低于0°C）和高温（HT，高于60°C）区域。到目前为止，还没有针对LT、HT和全气候运行的RLB的综合机制分析和调节策略。

在此，南开大学陈军院士、张凯研究员等人全面总结了RLB在不同工作温度下运行的新进展，特别是在促进 LT、HT和宽温条件下RLB的电极和电解质材料的发展方面。首先，作者专注于深入分析在LT和HT运行的RLB的故障机制。

然后，系统地介绍了基于关键材料和组件实现的低温RLBs突破。此外，作者还彻底总结了HT RLB的实现策略。对于这两种情况，都深入讨论了材料及其电化学性能之间的基本结构-有效性关系。最后，作者对全气候可充电RLB进行了展望，希望这篇综述将阐明开发用于不同温度范围的先进RLB。

图1. LT条件下主要电极优化策略示意图

作者认为：

（1）针对目前LT RLB的发展，应开发比Li//LVP系统容量更高的Li//LFP作为LT电池系统，通过掺杂高价金属元素可以改善LFP的LT动力学。此外，可以开发非极性氟化分子作为溶剂以降低去溶剂化能垒；

（2）对于HT RLB，在设计时应更加注意界面副反应。层状富镍材料仍有发展前景，应优化镍钴含量。对于改性策略，建议开发精确的靶向掺杂和原子级涂层技术（尽可能少地引入非活性物质）。在电池组件方面，应强调耐高温隔膜的作用并降低其成本。此外，固态电池也是提高其HT性能的有效方法。

（3）对于全气候型RLB，应专注于提高现有RT/HT稳定电池系统的LT性能及现有全温电池系统的能量密度。

图2. HT条件下电极、电解质和隔膜优化策略的示意图

最后，作者重点列出了即将开展的全气候RLBs调查的一些关键方法和技术要点：

（1）通过机器学习智能筛选温度相关材料；

（2）变温条件下材料的原位表征演化；

（3）考虑量产与实际应用的综合评价。

考虑到对先进储能系统日益增长的需求，本文所概述的越来越多的前沿方法、理论工具和策略将投入实际应用，上述问题将最终得到解决，从而进一步为大规模商业化和产业化发展开辟道路。

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

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