北理工团队在极端环境电能源研究方面取得系列进展- 大数跨境

科技写作沙龙

2025-06-06

转自：北京理工大学官网（发布日期：2025-06-04 供稿：材料学院摄影：材料学院编辑：刘晓雪审核：程兴旺）

在人类不断向遥远星空、海洋腹地、地球深处、极寒之地探索的进程中，稳定可靠的能源系统成为动力驱动、生命保障、性能监测、信息传输等任务的必要支撑。然而，最具代表性的“三深一极”（深空、深海、深地、极地）极端环境是不可避免的使役环境，往往伴随着超低温、超高温、超高压、低真空、强辐射和强腐蚀等复杂工况下的多重耦合因素作用，导致电池材料异变、热失控、辐照损伤、性能退化等多模式失效，给储能器件的高能量密度、高功率密度和超长寿命、高安全服役带来了严峻挑战。2025年5月，北京理工大学材料学院吴锋院士、陈人杰教授团队聚焦于极端环境下的电化学储能开展了系列探索研究工作，并以“Electrochemical Energy Storage toward Extreme Conditions： Driving Human Exploration Beyond Current Boundaries”为题在国际顶级期刊《Chemical Reviews》（影响因子：51.5）上发表综述文章，系统梳理了当前在深空、深海、深地、极地等极端环境下的电化学储能系统面临的挑战、关键科学问题、先进技术路线以及未来发展方向。北京理工大学陈人杰教授为论文的通讯作者，材料学院博士后尚妍欣为第一作者、黄永鑫副教授为共同一作。文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.4c00863。

本综述系统梳理了近年来极端环境储能电池的研究现状，着重从极端温度、极端压力、高能辐射、湿度、微重力、超重力等角度梳理了能源器件应对极端条件的最新研究进展和主要挑战，深入剖析了极端工况对储能系统及电解质、电极材料、界面行为及电化学耦合过程的影响，并提出了解决这些棘手问题的研究策略。

图1. 深海环境应用装备所需的各类能源器件。

图2. 电池性能参数与极端环境条件的对应关系和定量公式。

综述通过理论模拟从材料微观物理化学机制水平到整体电能源系统进行了全面概述，总结了基于各种电化学与环境条件耦合模型的相关理论公式，分析了极端温度、极端压力等对电池微观溶剂化结构、离子扩散和输运等关键性能参数的影响机制，明确构建基于电化学-环境耦合的理论模型和关系方程是开发极端环境适用电池体系及材料的关键。

图3. 月球探测未来电源发展需求。

图4. 火星探测未来电源发展需求。

随着载人登月、火星移民及小行星资源开发任务的不断推进，电化学储能系统被赋予更高的可靠性、安全性与环境适应性要求。本综述前瞻性地展望了下一代储能系统在月球超长极昼极夜极寒、火星稀薄大气及小行星表面高辐射等环境下的运行模式，构建了探月、探火的能源技术需求图谱。提出适用于月球昼夜温差剧烈变化的特异功能电池材料设计策略（表面温差高达300°C），以应对热胀冷缩、界面失稳及电解质降解等核心挑战。在火星探测任务中，针对火星表面具有显著的昼夜温差（-125°C至20°C）与富含二氧化碳的大气特性，提出特异空气气氛下的Li-CO2电池等金属电池新体系，支撑未来火星基地电池的持续运行。该愿景不仅聚焦材料本体性能的极限突破，也强调能源系统与深空环境的深度耦合，为深空电能源科技的创新发展提供战略支撑。

课题组在前期研究中重点聚焦于复杂工况条件下的高比能量储能体系的构建，围绕超高能量密度（600-800Wh/kg）电池系统，开展了在宽温域、高电压环境下实现稳定循环性能的关键技术攻关。针对深空探测的特殊气氛环境，系统探索了金属-气体新型电池体系，实现了超临界Li-CO2电池、Li-N2电池的可逆循环，初步验证了其在火星等富含CO2或惰性气体的大气环境中的适应性与应用潜力。近期在二次电池极端环境研究方面的部分代表性工作如下：

A Universal Strategy for High-Voltage Aqueous Batteries via lone Pair Electrons as hydrogen Bond-Breaker. Energy and Environmental Science, 2022, 15（6）： 2653-2663.（IF=32.4, 第一作者：尚妍欣博士）（提出一种选择“氢键捕获”溶剂的通用策略，共溶剂的孤电子对作为氢键接收位点，将电解液冰点降低至-85℃，实现极端低温稳定性）论文链接：https://doi.org/10.1039/D2EE00417H

Super-Ionic Conductor Soft Filler Promotes Li+ Transport in Integrated Cathode-Electrolyte for Solid-State Battery at Room Temperature, Advanced Materials, 2024, 36(27): 2403078.（IF=27.4，第一作者：杨斌斌博士）（超离子导体软填料协同配位高效促进锂离子运输，实现聚合物复合固态电解质在极端电流密度稳定运行）论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202403078

Low-Entropy and Fast-Li+-Conducting Electrolyte with Cascade Reaction-Induced Robust Interphase for Fast-Charging Lithium Metal Batteries. AngewandteChemie, 2025, 64, e202504116.（IF=16.1, 第一作者：李瑶硕士）（通过级联反应机制构筑低熵电解质实现富含LiF的稳定SEI层，提升锂金属电池在极端快充条件下的循环稳定性）论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202504116

Screening Metal Cation Additives Driven by Differential Capacitance for Zn Batteries, Energy and Environmental Science, 2024,17, 4794-4802.（IF=32.4, 第一作者：胡正强博士）（基于差分电容方法筛选金属元素，引入高价金属离子减小扩散层厚度，实现电极在高倍率下的循环稳定性）论文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE01127A

Tiny-Ligand Solvation Electrolyte Enabled Fast-Charging Aqueous Batteries. AngewandteChemie International Edition, 2025, 64, e202423808.（IF=16.1, 第一作者：尚妍欣博士）（利用具有低结合能的空间位阻基团构建了小配体电解质的新准则，实现电解液在-80~80℃的极端宽温适应性及超快充循环稳定性）论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202423808

Facilitating Oriented Dense Deposition: Utilizing Crystal Plane End-Capping Reagent to Construct Dendrite-Free and Highly Corrosion-Resistant (100) Crystal Plane Zinc Anode, Advanced Materials, 2024, 36(41): 2407145. （IF=27.4，第一作者：王辉荣博士）（构建电极界面疏水外壳或定向结构抵御外界侵蚀，实现锌离子电池中离子沉积和成核生长过程的稳定调控）论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202407145

Anion-Dominated Conventional-Concentrations Electrolyte to Improve Low-Temperature Performance of Lithium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials, 2024, 34, 2400337.（IF=18.5, 第一作者：封迈硕士）（提出双阴离子驱动机制显著降低界面去溶剂化能垒，使Li/NCM811电池在极端低温-50℃实现稳定循环）论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202400337

Spin-polarized d-orbital filling in cobalt catalysts boosts solution-mediated Li-O2 batteries. National Science Review, 2025, 12, 6, nwaf145.（IF=16.3, 第一作者：张凤玲博士）（在极端特异环境下催化电池中的多界面化学反应，实现电池的高能量效率和长循环稳定性）论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf145

Decoding the Entropy-Performance Relationship in Aqueous Electrolytes for Lithium-Ion Batteries, Advanced Energy Materials, 2025, 2406118.（IF=24.4, 第一作者：尚妍欣博士）（通过探讨混合熵ΔSmix、氢键和静电相互作用与实现最优电解质低温性能的构效机制，将电解质极端低温凝固点降至-106.95 ℃）论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202406118

Synergy of In Situ Heterogeneous Interphases with Hydrogen Bond Reconstruction Enabling Highly Reversible Zn Anode at −40 ℃, Advanced Functional Materials, 2024, 2413807.（IF=18.5, 第一作者：周安彬博士）（采用生物活性绿色溶剂γ-戊内酯构建共溶剂电解液，使锌离子电池在极端低温−40 ℃条件下实现稳定循环性能）论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202413807

附作者简介：

尚妍欣，北京理工大学材料学院博士后，合作导师为吴锋院士、陈人杰教授，担任北京理工大学博士后联谊会秘书长，研究方向为金属二次电池电解液及极端环境多场耦合的电池能量存储转化机制。获批国家自然科学青年基金、博新计划、博士后面上一等和山东省自然科学青年基金，以第一作者在Chemical Reviews、Advanced Materials、AngewandteChemie、Energy &Environmental Science、Advanced Energy Materials等国际顶级期刊发表多篇SCI学术论文，申请专利10余项，两次受邀作为主讲人面向全校开展科研基金申报大讲堂，受邀在世界能源材料大会、国际能源材料化学研讨会作多次会议邀请报告。

黄永鑫，北京理工大学材料学院副教授，博士生导师。研究方向包括高比能二次电池新体系与新机制，先进原位表征与理论模拟等。以第一/通讯作者在Joule，Advanced Materials，AngewandteChemie等高水平学术期刊发表学术论文40余篇，以第一发明人授权发明专利4项。入选中科协青年人才托举计划，主持国家自然科学基金、省重点实验室项目等课题。

陈人杰，北京理工大学教授，博士生导师。入选国家级人才计划，英国皇家化学学会会士、中国工程前沿杰出青年学者等。主要从事多电子高比能二次电池新体系及关键材料、新型离子液体及功能复合电解质材料、特种电源用新型薄膜材料与结构器件、绿色二次电池资源化再生、智能电池及信息能源融合交叉技术等方面的教学和科研工作。

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