这篇文档属于类型b，是一篇发表在《Advanced Energy Materials》期刊上的综述论文，由Junbo Hou、Min Yang、Deyu Wang和Junliang Zhang等作者合作完成。论文标题为《Fundamentals and Challenges of Lithium Ion Batteries at Temperatures Between −40 and 60 °C》，系统总结了锂离子电池（LIBs）在极端温度（-40°C至60°C）下的基础科学问题和挑战，并从材料角度提出了解决方案。
作者及发表信息
- 作者及单位：
- Junbo Hou和Junliang Zhang来自上海交通大学机械与动力工程学院；
- Min Yang隶属于上海电气集团中央研究院；
- Deyu Wang就职于中国科学院宁波材料技术与工程研究所新能源技术研究所。
- 期刊与时间：2020年发表于《Advanced Energy Materials》（DOI: 10.1002/aenm.201904152）。
论文主题
论文聚焦锂离子电池在极端温度环境下的性能衰减机制，从电解质、电极材料（正极/负极）、固体电解质界面（SEI）和阴极电解质界面（CEI）、粘结剂等关键材料出发，探讨其化学、物理和电化学行为的关联性，并提出通过电解质和添加剂设计实现宽温域兼容性的策略。
主要观点与论据
1. 极端温度下电解质的挑战与优化
- 低温问题：传统碳酸酯类电解质（如EC/DMC）在-40°C时电导率下降至约1 mS cm⁻¹，导致欧姆极化加剧。通过引入低熔点溶剂（如甲基甲酸酯MF、乙酸乙酯EA）或混合盐（如LiBF₄/LiBOB），可提升离子迁移率。例如，EC+EMC+MP（20:60:20）电解质的电导率在-50°C下提高6倍。
- 高温问题：高温加速电解质分解（如LiPF₆生成PF₅和HF），需采用高沸点溶剂（如DEC）或热稳定盐（如LiDFOB）。实验表明，LiBF₄在60°C下的容量保持率（97%）显著优于LiPF₆（56%）。
2. 正极材料的结构与界面稳定性
- 低温性能：LiCoO₂（LCO）在饱和LiCl电解液中-40°C下容量保持72%，而LiFePO₄（LFP）因固相扩散系数低（10⁻¹⁴ cm² s⁻¹）导致容量衰减50%。纳米化（如碳包覆LFP）可将-25°C容量提升至71.4%。
- 高温失效：高镍正极（如NCM）在高温下CEI不稳定，引发过渡金属溶解。添加AlF₃涂层（10 nm）可抑制界面副反应，提升60°C循环稳定性。
3. 负极的SEI动力学与锂沉积问题
- 低温限制：石墨负极在-30°C的锂扩散系数（10⁻¹¹ cm² s⁻¹）远低于常温，且SEI阻抗增加27倍。PNNL研究表明，Li⁺去溶剂化是主要动力学障碍，活化能达60–70 kJ mol⁻¹。
- 高温风险：SEI在120°C分解后触发连锁放热反应（如LixC6与PVDF反应），DSC显示280°C以上出现剧烈放热峰。采用硅基负极可避免锂枝晶，-40°C容量保持75%。
4. 粘结剂的温度适应性
- 机械性能：SBR+CMC粘结剂的玻璃化转变温度（-4.5°C）导致低温脆裂，而PVDF（-42°C）更适合宽温域，但高温溶胀率高（60°C体积膨胀20%）。
5. 宽温域电池的设计策略
- 电解质工程：混合溶剂（如EC+DEC+DMC+EMC）结合功能添加剂（如LiDFOB）可兼顾高低温性能。例如，1 M LiPF₆的EC+EMC+MP电解质支持-60°C下中等倍率放电。
- 材料创新：Li₃V₂(PO₄)₃（LVP）的Li⁺扩散活化能（6.57 kJ mol⁻¹）显著低于LFP，更适合低温应用。
论文价值与意义
- 科学价值：系统揭示了极端温度下LIBs的衰减机制，建立了材料-界面-性能的关联模型，为宽温域电池设计提供理论依据。
- 应用价值：提出的电解质优化和材料改性策略可直接指导电动汽车、航空航天等极端环境应用的电池开发。例如，军用LIBs需在-40°C启动，而沙漠地区需耐受60°C高温。
亮点与创新
- 多尺度分析：从原子尺度（Li⁺溶剂化结构）到电极尺度（SEI/CEI生长模型）全面解析温度效应。
- 跨温域协同：首次提出通过单一电解质配方兼容-40°C至60°C的解决方案，突破传统热管理系统的局限。
其他重要内容
论文还探讨了粘结剂溶胀、锂金属负极兼容性等细节问题，并指出未来需开发新型盐类（如Li₂B₁₂F₁₂₋ₓHₓ）和固态电解质以进一步提升安全性。