在人類不斷向遙遠(yuǎn)星空、海洋腹地、地球深處、極寒之地探索的進(jìn)程中，穩(wěn)定可靠的能源系統(tǒng)成為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、生命保障、性能監(jiān)測、信息傳輸?shù)热蝿?wù)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(huán)境是不可避免的使役環(huán)境，往往伴隨著超低溫、超高溫、超高壓、低真空、強(qiáng)輻射和強(qiáng)腐蝕等復(fù)雜工況下的多重耦合因素作用，導(dǎo)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(chǔ)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(yán)峻挑戰(zhàn)。2025年5月，北京理工大學(xué)材料學(xué)院吳鋒院士、陳人杰教授團(tuán)隊(duì)聚焦于極端環(huán)境下的電化學(xué)儲(chǔ)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(fā)表綜述文章，系統(tǒng)梳理了當(dāng)前在深空、深海、深地、極地等極端環(huán)境下的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)、關(guān)鍵科學(xué)問題、先進(jìn)技術(shù)路線以及未來發(fā)展方向。北京理工大學(xué)陳人杰教授為論文的通訊作者，材料學(xué)院博士后尚妍欣為第一作者、黃永鑫副教授為共同一作。
 

　　本綜述系統(tǒng)梳理了近年來極端環(huán)境儲(chǔ)能電池的研究現(xiàn)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(yīng)對極端條件的最新研究進(jìn)展和主要挑戰(zhàn)，深入剖析了極端工況對儲(chǔ)能系統(tǒng)及電解質(zhì)、電極材料、界面行為及電化學(xué)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(huán)境應(yīng)用裝備所需的各類能源器件。
 

圖2. 電池性能參數(shù)與極端環(huán)境條件的對應(yīng)關(guān)系和定量公式。
 

　　綜述通過理論模擬從材料微觀物理化學(xué)機(jī)制水平到整體電能源系統(tǒng)進(jìn)行了全面概述，總結(jié)了基于各種電化學(xué)與環(huán)境條件耦合模型的相關(guān)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(jié)構(gòu)、離子擴(kuò)散和輸運(yùn)等關(guān)鍵性能參數(shù)的影響機(jī)制，明確構(gòu)建基于電化學(xué)-環(huán)境耦合的理論模型和關(guān)系方程是開發(fā)極端環(huán)境適用電池體系及材料的關(guān)鍵。
 

圖3. 月球探測未來電源發(fā)展需求。
 

圖4. 火星探測未來電源發(fā)展需求。
 

　　隨著載人登月、火星移民及小行星資源開發(fā)任務(wù)的不斷推進(jìn)，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)被賦予更高的可靠性、安全性與環(huán)境適應(yīng)性要求。本綜述前瞻性地展望了下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)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(huán)境下的運(yùn)行模式，構(gòu)建了探月、探火的能源技術(shù)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(shè)計(jì)策略(表面溫差高達(dá)300°C)，以應(yīng)對熱脹冷縮、界面失穩(wěn)及電解質(zhì)降解等核心挑戰(zhàn)。在火星探測任務(wù)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(xù)運(yùn)行。該愿景不僅聚焦材料本體性能的極限突破，也強(qiáng)調(diào)能源系統(tǒng)與深空環(huán)境的深度耦合，為深空電能源科技的創(chuàng)新發(fā)展提供戰(zhàn)略支撐。
 

　　課題組在前期研究中重點(diǎn)聚焦于復(fù)雜工況條件下的高比能量儲(chǔ)能體系的構(gòu)建，圍繞超高能量密度(600-800Wh/kg)電池系統(tǒng)，開展了在寬溫域、高電壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)性能的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。針對深空探測的特殊氣氛環(huán)境，系統(tǒng)探索了金屬-氣體新型電池體系，實(shí)現(xiàn)了超臨界Li-CO2電池、Li-N2電池的可逆循環(huán)，初步驗(yàn)證了其在火星等富含CO2或惰性氣體的大氣環(huán)境中的適應(yīng)性與應(yīng)用潛力。