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北京理工大學材料學院吳鋒院士團隊近日對寬溫域鈉離子電池進行了綜述研究，相關成果以“Challenges and Breakthroughs in Enhancing Temperature Tolerance of Sodium-Ion Batteries”為題在國際知名期刊《Advanced Materials》上發表。材料學院碩士生車暢為第一作者（師從吳鋒院士）。

為了降低對有限資源的依賴并減輕對環境的影響，可再生能源的利用變得愈發重要。然而，鑒于可再生能源的間歇性和不可控性，現代社會對于高效儲能技術的需求與日俱增。現今，傳統的二次電池主要用于常溫環境下的儲能需求。然而，在寬溫域條件下，電池的性能會嚴重下降，且存在安全隱患，因此難以滿足在寬溫度范圍內持續穩定工作的需求（如圖1a）。鈉離子電池（SIBs）在低溫環境下展現了出色的動力學特性，同時在高溫條件下也具有優異的性能（如圖1b）。因此，鈉離子電池有望成為未來儲能領域的一種重要補充技術。

隨著研究的深入，鈉離子電池在寬溫度范圍內應用的重要性日益凸顯（如圖2）。過去的研究多聚焦于特定溫度范圍的優化，或是針對單一電池體系在寬溫度跨度內的性能分析，對鈉離子電池尚缺乏在寬溫域內復雜運行機制的深入研究。

圖1 (a) 未來寬溫域電池的潛在應用場景和技術。(b) SIBs 和 LBBs 在寬溫域條件下的比較。

圖2. (a) Li和Na的物理/化學特性比較。(b) 2023年11月7日全球氣溫分布圖，圖片來源于美國緬因大學氣候變化研究所。(c) 截至 2023年11月低溫/高溫SIBs的研究熱點，數據來源于Web of Science。(d) 截至2023年11月有關 "低溫/高溫SIBs"的出版物數量，數據來源于Web of Science。(e) 溫度對電池性能的影響。

在此背景下，北京理工大學吳鋒院士團隊聚焦于電極材料和電解質體系，系統探究了溫度對關鍵參數，如反應常數、電荷轉移阻抗等的影響。鑒于鈉離子電池的電荷存儲機制依賴于各成分間的轉換協同效應，深入理解材料間的相互作用顯得尤為重要，而溫度在此過程中的作用不容忽視。溫度的變化會顯著影響電池內的化學反應及反應速率，進而對電極/電解質界面（EEI）的形成、電池的安全性能、使用壽命、穩定性以及各類電化學特性產生重要影響。通過對不同環境下溫度對電極/電解質界面、電解質及電極材料影響的綜合研究，總結了寬溫域條件下溫度變化帶來的嚴峻挑戰，如圖3所示。

圖3 (a) 電荷電阻與溫度之間的關系。(b) 本征離子擴散系數與溫度的關系。(c) 低溫下 SIBs 所面臨的挑戰。(d) 電極電位與溫度之間的關系。(e) 粘度、電導率和溫度之間的關系。(f) SIBs在高溫下面臨的挑戰。

此外，文章綜述了寬溫域鈉離子電池的發展歷程，深入剖析了溫度變化與電池性能之間的關聯；系統總結了針對低溫和高溫環境設計的電解質和電極材料的最新研究進展，并對寬溫域鈉離子電池的未來發展前景進行了展望。通過對已有研究的全面回顧，詳細概述了適用于不同溫度范圍的鈉離子電池材料，并特別介紹了幾種具有寬工作溫度區間的電池系統，同時提出在設計理想的寬溫域鈉離子電池時，材料的選擇必須充分考慮其兼容性。為實現這一目標，需綜合考慮多重因素：首先，要致力于拓寬電池的工作溫度窗口；其次，需采用先進的表征技術以深入了解材料的性能；再者，智能篩選材料以確保其在極端條件下保持優異性能；最后，通過實際評估來驗證設計的可行性和實用性，如圖4所示。

圖4 (a) 不同溫度范圍內具有代表性的電池組件示意圖；(b) 開發寬溫域SIBs的前景。

實現能夠在寬溫度范圍內正常工作且具備高安全性的電池，無疑是未來電化學儲能技術中極具潛力的發展方向。通過引入新材料、新方法和新設計，有望推動電池技術的進一步發展，使電池系統能夠在更寬泛的溫度范圍內以高性能、高安全性和高穩定性的狀態運行，推動電化學儲能向著更加成熟和廣泛應用的階段邁進。

該文對寬溫域鈉離子電池的相關研究進行了全面回顧和系統分析，可為推動鈉離子電池的研究及產業化應用提供參考，也可為將來電動汽車、電動船舶、電動飛機等領域所需的極端條件應用提供思路。

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202402291