这项研究的主要作者包括 Chao-Yang Wang, Guangsheng Zhang, Shanhai Ge, Terrence Xu, Yan Ji, Xiao-Guang Yang 和 Yongjun Leng，他们隶属于 The Pennsylvania State University 和 EC Power。文章发表于 Nature 杂志，发表日期是 2016 年 1 月 28 日，DOI 为 doi:10.1038/nature16502。
本文是一项关于锂离子电池的原创研究，重点聚焦于开发一种能够在低温条件下自发加热的新型电池结构，即“全气候电池”（All-Climate Battery, 简称 ACB）。文章旨在解决锂离子电池在低温环境下性能的快速衰退问题，从而提高其在寒冷气候地区和极端环境中的实际应用性能。
锂离子电池因其轻量、高能量密度等特性，广泛应用于电动车、无人机等领域。然而，在低于零摄氏度的温度下，锂离子电池的放电和充电能力大幅降低。此性能问题导致电池需要更大的容量和更高的成本，同时带来车辆动力范围缩短、再生制动效率降低等实际问题。尽管现有研究集中于通过添加电解质添加剂或外部加热手段提升低温性能，但这些方法存在能耗高、时间成本大或材料老化等缺点。
本研究旨在开发一种能够通过内部自加热机制解决此问题的电池技术。采用独特的“全气候电池”设计，该方法不需外部加热，也无需添加专用电解质即可在短时间内将电池从极低温度加热至适合工作的温度，从而提高电池的输出和再生能力。
本研究流程分为以下几个阶段：
研究团队在传统锂离子电池设计的基础上新增了一种镍箔（nickel foil）作为第四种关键组件。镍箔厚度为50微米，两端各有一连接片。其中一端连接到负极层，另一端作为独立的激活端子（activation terminal）。镍箔的特殊电阻设计确保了电池在低温启动时能够产生大量欧姆热，而不会导致材料性能劣化。另外，通过开关激活机制，电池在低温启动加热后可以恢复常规锂离子电池模式，在常温下提供低内阻和高功率输出。
研究团队通过环境舱模拟零下20°C、零下30°C及零下40°C的极端低温环境，测试ACB电池能否快速加热到0°C。加热过程采用电阻加热的方法，实验记录了活化时间、电池表面温度、电压和内部消耗的能量比例。这项实验验证了ACB在极端低温条件下的自加热能力：从-20°C加热到0°C仅需20秒，能耗仅为3.8%；从-30°C加热所需时间为30秒，能耗为5.5%。
通过10秒混合脉冲功率实验（Hybrid Pulse Power Characterization，简称HPPC），测量ACB电池在不同状态下的放电和再生能力。测试表明，ACB电池的功率显著高于基线锂离子电池，例如在-30°C、50%放电深度（SOC）下，ACB电池输出功率为1061 W/kg，达到基线电池功率的6.4倍，再生功率更高达12.3倍。
实验还评估了ACB电池在多次活化循环后性能的衰减情况。对500次从-30°C环境激活的测试显示，电池容量衰减仅为7.2%，表明ACB结构不会显著影响电池寿命。此外，在高温循环测试中，该构造不会带来额外的副作用。
研究还提出了一种基于需求的“部分活化”策略（power-on-demand strategy），通过部分激活减少能耗和时间代价。例如，仅部分激活66%，ACB电池的输出功率即可达到基线电池的三倍，而激活时间和能耗分别减少至20秒和3.2%。
快速自加热能力：实验显示ACB电池能在20至42秒内从-40°C加热至0°C，能量消耗为电池容量的3.8%至5.5%。此性能远优于现有加热方法，例如使用交流电加热耗时60秒且消耗7.5%容量。
显著功率提升：在-30°C条件下，ACB电池的放电功率可达1061 W/kg，为基线电池的6.4倍；再生功率激增至1425 W/kg，是基线电池的12.3倍。
高耐久性：经过500次低温活化循环测试后，ACB电池的容量损失仅为7.2%，容量保持率与常规锂电池接近。
轻量低成本：镍箔增加的重量仅为100克/千瓦时，成本为0.1美元/千瓦时，占比相对基线电池分别为1.5%和0.04%。
本研究的全气候电池技术突出了几个关键优势：
这项研究的突出贡献包括： - 首创的内部自加热机制无需外部设备，即使在极端低温条件下也能快速启动电池； - 高功率输出和再生能力在同类中处于领先水平； - 能量效率极高，活化能耗仅为容量的一小部分； - 电池活化对寿命的影响极小，且具备高温耐久性。
未来，研究团队提出如果能进一步提升锂电池的能量密度，激活时间和能耗将进一步显著降低。作者预计，未来的ACB电池能以不到10秒的时间、1%的容量损耗完成从-20°C到0°C的加热需求，从而推动其广泛应用于各种需要高功率、高能效的领域。