北理工團隊在寬溫域鈉離子電池領(lǐng)域發(fā)表綜述文章
發(fā)布日期：2024-06-12 供稿：材料學(xué)院 攝影：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
北京理工大學(xué)材料學(xué)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(guān)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(fā)表,。材料學(xué)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(huán)境的影響,，可再生能源的利用變得愈發(fā)重要,。然而，鑒于可再生能源的間歇性和不可控性,，現(xiàn)代社會對于高效儲能技術(shù)的需求與日俱增?，F(xiàn)今，傳統(tǒng)的二次電池主要用于常溫環(huán)境下的儲能需求,。然而,，在寬溫域條件下，電池的性能會嚴(yán)重下降,，且存在安全隱患,，因此難以滿足在寬溫度范圍內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定工作的需求（如圖1a）。鈉離子電池（SIBs）在低溫環(huán)境下展現(xiàn)了出色的動力學(xué)特性,，同時在高溫條件下也具有優(yōu)異的性能（如圖1b）,。因此,，鈉離子電池有望成為未來儲能領(lǐng)域的一種重要補充技術(shù)。
隨著研究的深入,，鈉離子電池在寬溫度范圍內(nèi)應(yīng)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(yōu)化，或是針對單一電池體系在寬溫度跨度內(nèi)的性能分析,，對鈉離子電池尚缺乏在寬溫域內(nèi)復(fù)雜運行機制的深入研究,。
圖1 (a) 未來寬溫域電池的潛在應(yīng)用場景和技術(shù)。(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(xué)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(xué)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(shù)據(jù)來源于Web of Science。(d) 截至2023年11月有關(guān) "低溫/高溫SIBs"的出版物數(shù)量,，數(shù)據(jù)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(xué)吳鋒院士團隊聚焦于電極材料和電解質(zhì)體系，系統(tǒng)探究了溫度對關(guān)鍵參數(shù),，如反應(yīng)常數(shù),、電荷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換協(xié)同效應(yīng),，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(nèi)的化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)速率,，進而對電極/電解質(zhì)界面（EEI）的形成,、電池的安全性能、使用壽命,、穩(wěn)定性以及各類電化學(xué)特性產(chǎn)生重要影響,。通過對不同環(huán)境下溫度對電極/電解質(zhì)界面、電解質(zhì)及電極材料影響的綜合研究,，總結(jié)了寬溫域條件下溫度變化帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),，如圖3所示。
圖3 (a) 電荷電阻與溫度之間的關(guān)系,。(b) 本征離子擴散系數(shù)與溫度的關(guān)系,。(c) 低溫下 SIBs 所面臨的挑戰(zhàn)。(d) 電極電位與溫度之間的關(guān)系,。(e) 粘度,、電導(dǎo)率和溫度之間的關(guān)系,。(f) SIBs在高溫下面臨的挑戰(zhàn)。
此外,，文章綜述了寬溫域鈉離子電池的發(fā)展歷程,，深入剖析了溫度變化與電池性能之間的關(guān)聯(lián)；系統(tǒng)總結(jié)了針對低溫和高溫環(huán)境設(shè)計的電解質(zhì)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(fā)展前景進行了展望,。通過對已有研究的全面回顧，詳細(xì)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(qū)間的電池系統(tǒng),，同時提出在設(shè)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(xiàn)這一目標(biāo),，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(shù)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(yōu)異性能,；最后，通過實際評估來驗證設(shè)計的可行性和實用性,，如圖4所示,。
圖4 (a) 不同溫度范圍內(nèi)具有代表性的電池組件示意圖；(b) 開發(fā)寬溫域SIBs的前景,。
實現(xiàn)能夠在寬溫度范圍內(nèi)正常工作且具備高安全性的電池,，無疑是未來電化學(xué)儲能技術(shù)中極具潛力的發(fā)展方向。通過引入新材料,、新方法和新設(shè)計,，有望推動電池技術(shù)的進一步發(fā)展，使電池系統(tǒng)能夠在更寬泛的溫度范圍內(nèi)以高性能,、高安全性和高穩(wěn)定性的狀態(tài)運行,，推動電化學(xué)儲能向著更加成熟和廣泛應(yīng)用的階段邁進。
該文對寬溫域鈉離子電池的相關(guān)研究進行了全面回顧和系統(tǒng)分析,，可為推動鈉離子電池的研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供參考,，也可為將來電動汽車、電動船舶,、電動飛機等領(lǐng)域所需的極端條件應(yīng)用提供思路,。
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202402291
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