冰球突破材料学院吴锋院士团队近日对宽温域钠离子电池进行了综述研究，相关成果以“Challenges and Breakthroughs in Enhancing Temperature Tolerance of Sodium-Ion Batteries”为题在国际知名期刊《冰球突破官网》上发表。材料学院硕士生车畅为第一作者（师从吴锋院士）。

为了降低对有限资源的依赖并减轻对环境的影响，可再生能源的利用变得愈发重要。然而，鉴于可再生能源的间歇性和不可控性，现代社会对于高效储能技术的需求与日俱增。现今，传统的二次电池主要用于常温环境下的储能需求。然而，在宽温域条件下，电池的性能会严重下降，且存在安全隐患，因此难以满足在宽温度范围内持续稳定工作的需求（如图1a）。钠离子电池（SIBs）在低温环境下展现了出色的动力学特性，同时在高温条件下也具有优异的性能（如图1b）。因此，钠离子电池有望成为未来储能领域的一种重要补充技术。

随着研究的深入，钠离子电池在宽温度范围内应用的重要性日益凸显（如图2）。过去的研究多聚焦于特定温度范围的优化，或是针对单一电池体系在宽温度跨度内的性能分析，对钠离子电池尚缺乏在宽温域内复杂运行机制的深入研究。

图1 (a) 未来宽温域电池的潜在应用场景和技术。(b) SIBs 和 LBBs 在宽温域条件下的比较。

图2. (a) Li和Na的物理/化学特性比较。(b) 2023年11月7日全球气温分布图，图片来源于美国缅因大学气候变化研究所。(c) 截至 2023年11月低温/高温SIBs的研究热点，数据来源于Web of Science。(d) 截至2023年11月有关 "低温/高温SIBs"的出版物数量，数据来源于Web of Science。(e) 温度对电池性能的影响。

在此背景下，冰球突破吴锋院士团队聚焦于电极材料和电解质体系，系统探究了温度对关键参数，如反应常数、电荷转移阻抗等的影响。鉴于钠离子电池的电荷存储机制依赖于各成分间的转换协同效应，深入理解材料间的相互作用显得尤为重要，而温度在此过程中的作用不容忽视。温度的变化会显著影响电池内的化学反应及反应速率，进而对电极/电解质界面（EEI）的形成、电池的安全性能、使用寿命、稳定性以及各类电化学特性产生重要影响。通过对不同环境下温度对电极/电解质界面、电解质及电极材料影响的综合研究，总结了宽温域条件下温度变化带来的严峻挑战，如图3所示。

图3 (a) 电荷电阻与温度之间的关系。(b) 本征离子扩散系数与温度的关系。(c) 低温下 SIBs 所面临的挑战。(d) 电极电位与温度之间的关系。(e) 粘度、电导率和温度之间的关系。(f) SIBs在高温下面临的挑战。

此外，文章综述了宽温域钠离子电池的发展历程，深入剖析了温度变化与电池性能之间的关联；系统总结了针对低温和高温环境设计的电解质和电极材料的最新研究进展，并对宽温域钠离子电池的未来发展前景进行了展望。通过对已有研究的全面回顾，详细概述了适用于不同温度范围的钠离子电池材料，并特别介绍了几种具有宽工作温度区间的电池系统，同时提出在设计理想的宽温域钠离子电池时，材料的选择必须充分考虑其兼容性。为实现这一目标，需综合考虑多重因素：首先，要致力于拓宽电池的工作温度窗口；其次，需采用先进的表征技术以深入了解材料的性能；再者，智能筛选材料以确保其在极端条件下保持优异性能；最后，通过实际评估来验证设计的可行性和实用性，如图4所示。

图4 (a) 不同温度范围内具有代表性的电池组件示意图；(b) 开发宽温域SIBs的前景。

实现能够在宽温度范围内正常工作且具备高安全性的电池，无疑是未来电化学储能技术中极具潜力的发展方向。通过引入新材料、新方法和新设计，有望推动电池技术的进一步发展，使电池系统能够在更宽泛的温度范围内以高性能、高安全性和高稳定性的状态运行，推动电化学储能向着更加成熟和广泛应用的阶段迈进。

该文对宽温域钠离子电池的相关研究进行了全面回顾和系统分析，可为推动钠离子电池的研究及产业化应用提供参考，也可为将来电动汽车、电动船舶、电动飞机等领域所需的极端条件应用提供思路。

全文链接：http://doi.org/10.1002/adma.202402291