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在人類不斷向遙遠星空、海洋腹地、地球深處、極寒之地探索的進程中，穩定可靠的能源系統成為動力驅動、生命保障、性能監測、信息傳輸等任務的必要支撐。然而，最具代表性的“三深一極”（深空、深海、深地、極地）極端環境是不可避免的使役環境，往往伴隨著超低溫、超高溫、超高壓、低真空、強輻射和強腐蝕等復雜工況下的多重耦合因素作用，導致電池材料異變、熱失控、輻照損傷、性能退化等多模式失效，給儲能器件的高能量密度、高功率密度和超長壽命、高安全服役帶來了嚴峻挑戰。2025年5月，北京理工大學材料學院吳鋒院士、陳人杰教授團隊聚焦于極端環境下的電化學儲能開展了系列探索研究工作，并以“Electrochemical Energy Storage toward Extreme Conditions： Driving Human Exploration Beyond Current Boundaries”為題在國際頂級期刊《Chemical Reviews》（影響因子：51.5）上發表綜述文章，系統梳理了當前在深空、深海、深地、極地等極端環境下的電化學儲能系統面臨的挑戰、關鍵科學問題、先進技術路線以及未來發展方向。北京理工大學陳人杰教授為論文的通訊作者，材料學院博士后尚妍欣為第一作者、黃永鑫副教授為共同一作。文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.4c00863。

本綜述系統梳理了近年來極端環境儲能電池的研究現狀，著重從極端溫度、極端壓力、高能輻射、濕度、微重力、超重力等角度梳理了能源器件應對極端條件的最新研究進展和主要挑戰，深入剖析了極端工況對儲能系統及電解質、電極材料、界面行為及電化學耦合過程的影響，并提出了解決這些棘手問題的研究策略。

圖1. 深海環境應用裝備所需的各類能源器件。

圖2. 電池性能參數與極端環境條件的對應關系和定量公式。

綜述通過理論模擬從材料微觀物理化學機制水平到整體電能源系統進行了全面概述，總結了基于各種電化學與環境條件耦合模型的相關理論公式，分析了極端溫度、極端壓力等對電池微觀溶劑化結構、離子擴散和輸運等關鍵性能參數的影響機制，明確構建基于電化學-環境耦合的理論模型和關系方程是開發極端環境適用電池體系及材料的關鍵。

圖3. 月球探測未來電源發展需求。

圖4. 火星探測未來電源發展需求。

隨著載人登月、火星移民及小行星資源開發任務的不斷推進，電化學儲能系統被賦予更高的可靠性、安全性與環境適應性要求。本綜述前瞻性地展望了下一代儲能系統在月球超長極晝極夜極寒、火星稀薄大氣及小行星表面高輻射等環境下的運行模式，構建了探月、探火的能源技術需求圖譜。提出適用于月球晝夜溫差劇烈變化的特異功能電池材料設計策略（表面溫差高達300°C），以應對熱脹冷縮、界面失穩及電解質降解等核心挑戰。在火星探測任務中，針對火星表面具有顯著的晝夜溫差（-125°C至20°C）與富含二氧化碳的大氣特性，提出特異空氣氣氛下的Li-CO2電池等金屬電池新體系，支撐未來火星基地電池的持續運行。該愿景不僅聚焦材料本體性能的極限突破，也強調能源系統與深空環境的深度耦合，為深空電能源科技的創新發展提供戰略支撐。

課題組在前期研究中重點聚焦于復雜工況條件下的高比能量儲能體系的構建，圍繞超高能量密度（600-800Wh/kg）電池系統，開展了在寬溫域、高電壓環境下實現穩定循環性能的關鍵技術攻關。針對深空探測的特殊氣氛環境，系統探索了金屬-氣體新型電池體系，實現了超臨界Li-CO2電池、Li-N2電池的可逆循環，初步驗證了其在火星等富含CO2或惰性氣體的大氣環境中的適應性與應用潛力。近期在二次電池極端環境研究方面的部分代表性工作如下：

A Universal Strategy for High-Voltage Aqueous Batteries via lone Pair Electrons as hydrogen Bond-Breaker. Energy and Environmental Science, 2022, 15（6）： 2653-2663.（IF=32.4, 第一作者：尚妍欣博士）（提出一種選擇“氫鍵捕獲”溶劑的通用策略，共溶劑的孤電子對作為氫鍵接收位點，將電解液冰點降低至-85℃，實現極端低溫穩定性）論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2EE00417H

Super-Ionic Conductor Soft Filler Promotes Li+ Transport in Integrated Cathode-Electrolyte for Solid-State Battery at Room Temperature, Advanced Materials, 2024, 36(27): 2403078.（IF=27.4，第一作者：楊斌斌博士）（超離子導體軟填料協同配位高效促進鋰離子運輸，實現聚合物復合固態電解質在極端電流密度穩定運行）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202403078

Low-Entropy and Fast-Li+-Conducting Electrolyte with Cascade Reaction-Induced Robust Interphase for Fast-Charging Lithium Metal Batteries. Angewandte Chemie, 2025, 64, e202504116.（IF=16.1, 第一作者：李瑤碩士）（通過級聯反應機制構筑低熵電解質實現富含LiF的穩定SEI層，提升鋰金屬電池在極端快充條件下的循環穩定性）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202504116

Screening Metal Cation Additives Driven by Differential Capacitance for Zn Batteries, Energy and Environmental Science, 2024,17, 4794-4802.（IF=32.4, 第一作者：胡正強博士）（基于差分電容方法篩選金屬元素，引入高價金屬離子減小擴散層厚度，實現電極在高倍率下的循環穩定性）論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4EE01127A

Tiny-Ligand Solvation Electrolyte Enabled Fast-Charging Aqueous Batteries. Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64, e202423808.（IF=16.1, 第一作者：尚妍欣博士）（利用具有低結合能的空間位阻基團構建了小配體電解質的新準則，實現電解液在-80~80℃的極端寬溫適應性及超快充循環穩定性）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202423808

Facilitating Oriented Dense Deposition: Utilizing Crystal Plane End-Capping Reagent to Construct Dendrite-Free and Highly Corrosion-Resistant (100) Crystal Plane Zinc Anode, Advanced Materials, 2024, 36(41): 2407145. （IF=27.4，第一作者：王輝榮博士）（構建電極界面疏水外殼或定向結構抵御外界侵蝕，實現鋅離子電池中離子沉積和成核生長過程的穩定調控）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202407145

Anion-Dominated Conventional-Concentrations Electrolyte to Improve Low-Temperature Performance of Lithium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials, 2024, 34, 2400337.（IF=18.5, 第一作者：封邁碩士）（提出雙陰離子驅動機制顯著降低界面去溶劑化能壘，使Li/NCM811電池在極端低溫-50℃實現穩定循環）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202400337

Spin-polarized d-orbital filling in cobalt catalysts boosts solution-mediated Li-O2 batteries. National Science Review, 2025, 12, 6, nwaf145.（IF=16.3, 第一作者：張鳳玲博士）（在極端特異環境下催化電池中的多界面化學反應，實現電池的高能量效率和長循環穩定性）論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf145

Decoding the Entropy-Performance Relationship in Aqueous Electrolytes for Lithium-Ion Batteries, Advanced Energy Materials, 2025, 2406118.（IF=24.4, 第一作者：尚妍欣博士）（通過探討混合熵ΔSmix、氫鍵和靜電相互作用與實現最優電解質低溫性能的構效機制，將電解質極端低溫凝固點降至-106.95 ℃）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202406118

Synergy of In Situ Heterogeneous Interphases with Hydrogen Bond Reconstruction Enabling Highly Reversible Zn Anode at ?40 ℃, Advanced Functional Materials,  2024, 2413807.（IF=18.5, 第一作者：周安彬博士）（采用生物活性綠色溶劑γ-戊內酯構建共溶劑電解液，使鋅離子電池在極端低溫?40 ℃條件下實現穩定循環性能）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202413807

附作者簡介：

尚妍欣，北京理工大學材料學院博士后，合作導師為吳鋒院士、陳人杰教授，擔任北京理工大學博士后聯誼會秘書長，研究方向為金屬二次電池電解液及極端環境多場耦合的電池能量存儲轉化機制。獲批國家自然科學青年基金、博新計劃、博士后面上一等和山東省自然科學青年基金，以第一作者在Chemical Reviews、Advanced Materials、Angewandte Chemie、Energy &Environmental Science、Advanced Energy Materials等國際頂級期刊發表多篇SCI學術論文，申請專利10余項，兩次受邀作為主講人面向全校開展科研基金申報大講堂，受邀在世界能源材料大會、國際能源材料化學研討會作多次會議邀請報告。

黃永鑫，北京理工大學材料學院副教授，博士生導師。研究方向包括高比能二次電池新體系與新機制，先進原位表征與理論模擬等。以第一/通訊作者在Joule，Advanced Materials，Angewandte Chemie等高水平學術期刊發表學術論文40余篇，以第一發明人授權發明專利4項。入選中科協青年人才托舉計劃，主持國家自然科學基金、省重點實驗室項目等課題。

陳人杰，北京理工大學教授，博士生導師。入選國家級人才計劃，英國皇家化學學會會士、中國工程前沿杰出青年學者等。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關鍵材料、新型離子液體及功能復合電解質材料、特種電源用新型薄膜材料與結構器件、綠色二次電池資源化再生、智能電池及信息能源融合交叉技術等方面的教學和科研工作。