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隨著臨近空間探測(cè)、極地科考等極端環(huán)境探索不斷推進(jìn)，高比能且適配超寬溫度范圍的電源技術(shù)成為行業(yè)迫切需求。鋰硫電池因高理論能量密度，被視作下一代儲(chǔ)能體系的重要方向，但其低溫性能短板長(zhǎng)期制約應(yīng)用落地。

傳統(tǒng)技術(shù)多聚焦正極優(yōu)化、隔膜改性與電解液調(diào)整，僅能支撐電池在0℃至-60℃區(qū)間工作，溫度低于-60℃時(shí)，多硫化物轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)停滯，電池快速失效；常用的外部加熱方案則存在能量損耗高、短路風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題，無(wú)法滿足極端環(huán)境長(zhǎng)期作業(yè)需求。

近日，大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院胡方圓教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)性攻關(guān)，提出全新電池構(gòu)筑策略，將交變磁場(chǎng)與鋰硫電池深度融合，從量子層面調(diào)控離子與電子傳輸路徑，優(yōu)化界面反應(yīng)位點(diǎn)的自旋電子態(tài)，成功打破超低溫下多硫化物轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)停滯的瓶頸，大幅拓展電池有效工作溫度區(qū)間。相關(guān)成果已發(fā)表于國(guó)際綜合科學(xué)期刊《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（NSR，National Science Review），標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域取得國(guó)際影響力的原創(chuàng)突破。

該新型電池系統(tǒng)集成微型溫度傳感器、智能控制芯片與磁響應(yīng)正極材料，形成完整感知調(diào)控閉環(huán)。傳感器實(shí)時(shí)采集溫度，芯片動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)交變磁場(chǎng)參數(shù)，磁響應(yīng)正極材料替代傳統(tǒng)硫載體，在磁場(chǎng)作用下于電極與電解液界面形成多物理場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)，激活低溫下遲緩的電化學(xué)反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)顯示，磁場(chǎng)可誘導(dǎo)磁性納米粒子電子自旋極化，強(qiáng)化鐵3d軌道與氧2p軌道雜化，引發(fā)塞曼能級(jí)分裂并形成極化子缺陷態(tài)，降低電荷轉(zhuǎn)移與鋰離子擴(kuò)散勢(shì)壘，提升多硫化物轉(zhuǎn)化效率。

拉曼光譜與同步輻射實(shí)驗(yàn)證實(shí)，磁場(chǎng)能加快硫化鋰與二硫化二鋰生成，抑制多硫化物穿梭效應(yīng)，延長(zhǎng)電池壽命；冷凍電鏡觀測(cè)則表明，多物理場(chǎng)協(xié)同可促使硫化鋰均勻多向生長(zhǎng)，優(yōu)化電極界面結(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊(duì)制備的軟包電池經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，在-20℃至-120℃區(qū)間均表現(xiàn)優(yōu)異：-20℃下可穩(wěn)定循環(huán)2800小時(shí)，-80℃時(shí)能量密度達(dá)454.5 Wh·kg?1，扣除能耗后仍有219.1 Wh·kg?1，相關(guān)性能已通過(guò)輕工業(yè)化學(xué)電源研究所第三方檢測(cè)。

此次突破跳出傳統(tǒng)材料改性思路，以物理場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)控開(kāi)辟寬溫域高比能電池新路徑，可適配臨近空間飛行器、極地科考裝備等國(guó)家重大戰(zhàn)略場(chǎng)景，滿足-120℃至60℃全天候能源供給需求。

該研究得到多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)項(xiàng)目資助，團(tuán)隊(duì)在固態(tài)電池、超級(jí)電容器等領(lǐng)域已形成連續(xù)且有影響力的研究布局，這項(xiàng)成果不僅解決了鋰硫電池極低溫應(yīng)用難題，更為儲(chǔ)能體系低溫優(yōu)化提供可遷移范式，助力我國(guó)在高端儲(chǔ)能領(lǐng)域構(gòu)建技術(shù)優(yōu)勢(shì)。