谢科予教授、李楠博士，AEM综述：锂电池驱动极端环境探索：原理、进展和前景

锂电池驱动极端环境探索：原理、进展和前景

第一作者：马力

通讯作者：李楠*，谢科予*

单位：西北工业大学，香港理工大学，中国船舶重工集团公司武汉船用电力推进装置研究所

璀璨星空和浩淼汪洋中的未知世界以它的神秘不断吸引着我们，但是深空和深海环境中复杂且极端的外部物理场（辐射场、超声波场、重力场、磁场、温度场等）对探测器和装备在探测器上的特种电源提出了严峻的要求。本文聚焦于这些外部物理场下独特的物理化学基本原理，重点回顾了外部物理场对液相传质、界面形成和演化以及电化学沉积的热力学和动力学过程产生影响的内在机制。同时，在兼顾极端物理场对锂电池性能的增强或劣化的前提下，深入分析了锂电池服役行为的最新进展。此外，本文还详细讨论了减轻外部物理场负面影响的策略，并概述了外部耦合物理场的协同作用和复合影响。最后，总结了深空深海探测器特种电源开发的潜在挑战和未来展望。这一综述为未来电化学驱动的极端环境探索提供了基本指导。

近日，来自西北工业大学的谢科予教授与香港理工大学的李楠博士合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Lithium Battery-Powered Extreme Environments Exploring: Principle, Progress, and Perspective”的综述文章。该综述文章重点回顾了外部物理场影响液相传质、界面形成和演化以及电化学沉积的热力学和动力学过程的内在机制。同时，在兼顾极端物理场对锂电池性能的增强或劣化的前提下，深入分析了锂电池服役行为的最新进展。

图1. 锂电池在深空、深海探索中的应用。

要点一：辐射场对锂电池的影响

辐射场对锂电池服役性能的影响主要体现在加速电解质降解、电极界面劣化和辐射诱导界面工程、以及正极晶格结构无序化。这些影响通常来源于电离效应或位移效应。目前的研究表明辐射对常用的碳酸酯类溶剂的负面影响不可忽视，高强度辐射会促进溶剂分子电离产生自由基。这不仅会加速电池服役过程中的溶剂分解，还会导致锂盐的分解。同时被加剧的还副反应会进一步劣化电极界面。与之不同的是，离子辐射下的界面缺陷工程可能有助于电池各级界面的更好的电子/离子传输。对于电极材料而言，辐射会活化晶格位上的靶原子，导致它们加速振荡，这会刺激正极材料的晶格的生长，并导致阳离子反位缺陷的产生，加剧晶格结构的无序性。

要点二：超声场对锂电池的影响

适当强度的超声场对锂电池的液相传质动力学、锂负极的形核和生长都有显著的积极影响，这归功于超声场下的空化效应带来的界面湍流和界面变形。值得注意的是过度的超声场对电池的影响是负面的，过强的超声功率下产生的激波和微射流会破坏原有的锂沉积结构，将其打碎为破碎的锂颗粒。

要点三：重力场对锂电池的影响

研究表明超重力场在高达50倍地球重力的范围内展示出对传质动力学、界面形成和成核的积极影响。首先，基于浮力因子的作用，超重力会显著增强对流进而增强传质动力学。同时，Li+和盐阴离子之间在超重力场下的强相互作用，促进了负极表面阴离子的显著分解，并驱动形成了富无机组分的固体电解质界面(SEI)。此外，金属锂在超重力场中临界成核功的减小和临界成核半径的减小都将有利于小而致密的晶核的形成，有助于形成光滑而致密的锂金属沉积形貌。最后对其他重力环境下的研究进行了展望。

要点四：磁场对锂电池的影响

磁场主要通过三类磁流体动力学效应（MHD）对锂电池的电化学服役过程产生影响。适当强度磁场对锂电池的积极影响主要包括增强的液相传质、重构的锂沉积形貌和SEI上强化的离子扩散。值得注意的是，平行于电场方向的磁场对电池服役行为的影响将比其他方向更为显著，且磁场并非越强越好，超过最佳磁通强度时锂沉积形貌可能会发生显著恶化，并影响电池服役行为。

要点五：温度场和其他外部物理场对锂电池的影响

极端温度是极端环境探索中必须克服的障碍。在低温下，锂电池的使用行为主要受限于电解质相的稳定性、电解质和电极内部的体积传质、以及电解质-电极界面的动力学, 其中电解质-电极界面的优化，包括锂离子的去溶剂化和锂离子在界面上的传质，已经成为决定电池低温性能的关键因素。此外，外部高温场下的级联热失控是极端环境探索中最具灾难性的故障之一。外部高温场诱导的正反馈热失控被认为与高温场下电池界面与材料的失效息息相关，包括电解质与电极之间钝化机制的丧失、电解液与电极的副反应加剧、隔膜融化、正极晶体结构坍塌等过程的同步或异步进行。在此背景下，现有研究已经从电解质、电极、隔膜、粘合剂，甚至外部包装等方面进行了高温锂电池特种设计。此外，压力和湿度场也对电池性能存在影响。

要点六：展望

锂电池在极端环境下的应用是一项极具潜力的新兴课题，该方向仍有许多问题亟需进一步研究。首先，统一科学的检测评价标准缺失，这是提高研究成果一致性和可比性的必要条件；其次，亟需开发极端外部物理场下的原位电化学表征技术；同时，固态锂电池在极端环境下的应用研究较少；此外，需要开发减轻外部物理场对电池负面影响的更全面的策略；最后，现有研究中缺乏极端环境探索的实际场景下锂电池服役行为的详细研究。

Lithium Battery-Powered Extreme Environments Exploring: Principle, Progress, and Perspective

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202401157

谢科予 教授 简介：西北工业大学材料学院教授/博导，国家级青年人才，英国皇家化学会会士；现任陕西省锂电池正极材料校企联合研究中心副主任、陕西省石墨烯联合实验室副主任、西北工业大学材料前沿交叉中心主任；长期从事高性能化学电源及其关键材料研究，研究成果先后发表在Nature Communications, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Angewandte Chemie International Edition等高水平期刊。

李楠 博士 简介：毕业于西北工业大学，现为香港理工大学博士后，研究方向为能源材料及先进化学电源，研究成果先后发表在Energy & Environmental Science, Advanced Materials, ACS Energy Letters, Angewandte Chemie International Edition, InfoMat, Nano Letters等高水平期刊。

马力 博士生简介：本科毕业于西北工业大学，现为西北工业大学直博研究生，研究方向为能源材料及先进化学电源。

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