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鋰離子電池 (LIB) 是各種商業化可充電電池中能量密度最高的，激發了3C設備、電動汽車和固定儲能系統的使用熱潮。然而，基于碳酸亞乙酯電解液和石墨負極的商業鋰離子電池的高性能只能在-20°C以上才能實現，這限制了其在惡劣環境中的應用。

在此，美國馬里蘭大學王春生教授及浙江大學范修林研究員等人全面回顧了低溫鋰離子/金屬電池的最新研究進展，包括潛在機制和有前景的策略。作者總結了顯著限制了LIBs在低溫下性能的4個關鍵挑戰：

（1）電解液潤濕性和離子電導率的下降；

(2) 緩慢的界面反應動力學，包括SEI中的Li⁺去溶劑化、電荷轉移和Li⁺傳輸；

(3) Li⁺在電極中的緩慢擴散；

(4) 負極表面鍍鋰可能造成“短路”。為了克服這些棘手的問題，作者提出了有前景的策略：i）合理調整溶劑、鋰鹽和添加劑以提高低溫離子電導率，降低去溶劑化能并形成富含無機物的薄SEI；(ii) 摻雜、表面涂層及電極結構設計等以促進Li⁺擴散；iii) 抑制負極上的鋰電鍍和枝晶生長；iv)其他策略，例如自加熱或電池配置優化。

圖1. 鋰離子/金屬電池的發展及低溫限制

最后，作者給出了低溫鋰離子/金屬電池的未來展望：

1）深入了解電池內的界面過程，先進的原位表征方法和理論計算可能有助于獲得這些過程的原子級知識，應特別注意去溶劑化過程；

2）探索先進的低溫電解液是商業電池化學最有效的方法之一，富含無機物的SEI是低溫電解液的首選；

3）構建新的電池化學，其中溶劑化的Li⁺作為一個整體參與反應而不去溶劑化，這是最大化低溫性能的一個有前途方向；

4）有效利用電池運行時產生的熱量可以幫助電池在較低的外部溫度下運行，如何安排配置使成本最小化、效果最大化是工程創新的關鍵。

圖2. “自加熱”電池機制及配置優化

Critical review on low-temperature Li-ion/metal batteries, Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202107899

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王春生/范修林AM綜述: 低溫鋰離子/金屬電池的潛在機制與策略

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王春生/范修林AM綜述: 低溫鋰離子/金屬電池的潛在機制與策略

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