提出的全天候电池设计可能在极端温度下实现稳定性

尽管锂离子电池是使用最为广泛的一种储能形式，但在低温下它们难以全功率运行，有时甚至会在高温下爆炸。然而，宾夕法尼亚州立大学的研究人员提出了一种新型设计，这可能成为在各种气候条件下实现有效且稳定的电力存储的关键。

图片来源：Illustrated by Wen-Ke Zhang/Provided by Chao-Yang

该研究于11月5日发表在《焦耳》上，调查了一种名为全气候电池（ACB）的先进锂离子电池设计。以往的设计方法无法同时在较低温度下提高效率并在较高温度下增加稳定性——始终存在权衡。通过改进并在此前十年的电池研究基础上，该团队开发出一种新颖的方法，使全气候电池能够在广泛的温度范围内提供稳定且高效的性能。

据机械工程、化学工程教授及该项目的主要调查员王超阳介绍，锂离子电池原本并不打算在它们今天支持的广泛应用范围内运行。这些设备最初是为在适中的温度下使用个人电子设备设计的，具体来说是在约25摄氏度或略高于室温的环境中。

现在这些电池已经集成到了电动汽车、数据中心以及可以产生极高热量的大规模系统中，这种稳定的运行温度对制造商来说反而成了一个需要克服的问题，王说：“为了继续利用锂离子电池驱动的大规模系统来提升社会，我们需要解决这一基本设计缺陷。”

据王介绍，虽然目前会使用外部加热或冷却装置来帮助保持电池的正常运作，但这些笨重、耗电的系统效率低下且需要频繁维护。即使有外部温度管理，锂离子电池在低温下会丧失性能，并且在高温下经历容量和稳定性的降低——只有在外温范围从-30至45摄氏度时才能保持可靠的运行，这严重限制了它们在极端环境中的应用，比如卫星或沙漠中的太阳能农场。

为了应对这一问题，团队改进了之前ACB研究中使用的传统电池设计，提议在ACB内部集成一个加热元件。这种新颖的方法通过优化电池构建中的材料，在高温环境下实现高稳定性和安全性，同时利用内部加热支持低温环境下的电池运行。

据王介绍，这种由现有研究成果观察支持的协同作用将使研究人员能够在不牺牲某一气候条件下稳定性和安全性的前提下，提升另一气候条件下的性能。 这正是我们研究的关键方面——王解释说，其他团队仅通过调整所用材料来提高在高温和低温环境中的性能。通过优化适用于高温的材料并在电池内部安装加热器以提高低温环境下的性能，从而解决了这一热障问题。

研究人员将调整ACB中的电极和电解质材料，以更好地应对高温环境，王指出，传统锂离子电池中使用的液体电解质虽然高效，但在高温下却过于易挥发而不可靠。团队计划实施的内部加热结构由约10微米厚（略大于一个红细胞）的镍箔薄片组成。

这种完全由电池供电的结构将允许系统自我调节温度，同时几乎不会增加重量或体积。王说，这种协同作用将增加电池可以可靠运行的环境数量，将其操作温度范围扩大到-50至75摄氏度，并使研究人员能够将ACB应用于传统锂离子电池之前证明不可行的应用中。除了提高灵活性之外，王还解释了移除外部热管理系统如何带来性能上的优势。

“通过将热管理集成到电池本身，我们大大减少了电池占用的空间以及与外部加热或冷却相关的其他变量。”王说，“这显著降低了成本、功耗和维护需求，这意味着在使用数千块锂离子电池的数据中心等系统中实现了巨大的成本节约。”

展望未来，王表示团队计划部署他们的ACB。 根据王的说法，通过适当的开发和测试，ACBs 可以进一步优化，在70到85摄氏度的高温下运行，“随着社会对电力的依赖日益增加，并且没有放缓的迹象，”王说，“随着我们继续开发如人工智能数据中心或高度先进的无人机和电动汽车等需要大量电力的技术，我们将不得不不断改进为它们供电的电池。”

勇编撰自论文“全气候电池储能”.焦耳.2025相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于公开图库。