基于溶剂化结构调控与纳米电极设计的低温镍铁电池性能突破

为解决极端低温环境下水系可充电电池(ARBs)的电解质冻结和粘结剂玻璃化转变难题，研究人员通过调控KOH电解质的溶剂化结构和设计无粘结剂纳米阵列电极，实现了-45°C下289%的容量提升和86.4%的循环保持率，为极地/航天等特殊场景的能源供给提供了创新解决方案。

　　

在南北极科考和航空航天领域，低温环境对电池系统提出了严苛挑战。传统锂离子电池(LIBs)在-30°C以下性能急剧衰减，而水系可充电电池(ARBs)虽具安全性优势，却面临两大"低温杀手"：电解液冻结会阻碍离子传输，粘结剂的玻璃化转变(T_g)则导致电极结构崩解。更棘手的是，现有方案往往顾此失彼——高浓度盐溶液虽能降低冰点却增加粘度，有机添加剂可能引发安全隐患，而对粘结剂失效问题更是缺乏有效对策。

针对这些瓶颈，Shibo Chai团队在《Nano Materials Science》发表的研究开创性地提出"双管齐下"策略。通过分子层面的溶剂化结构调控和宏观电极结构设计，实现了镍铁电池在-45°C的超常性能。研究采用差示扫描量热法(DSC)和拉曼光谱解析电解质相变行为，结合分子动力学(MD)模拟揭示氢键(HB)网络重构机制；通过电化学阻抗谱(EIS)和线性扫描伏安法(LSV)评估电极界面特性；采用自支撑纳米阵列替代传统浆料涂层电极，彻底规避粘结剂失效问题。

在电解质优化方面，研究发现10 M KOH溶液创下-112°C的冰点记录，7.5 M配方在-45°C仍保持165.5 mS cm^-1的超高电导率。MD模拟显示[K₄(OH)₂]²⁺等离子簇的形成能有效破坏水分子HB网络，而拉曼光谱证实溶剂分离离子对(SSIPs)向接触离子对(CIPs)的转变是维持低温离子迁移的关键。电极设计上，NiO@C纳米阵列阴极与泡沫铁阳极组成的无粘结剂体系，其电荷转移电阻(R_ct)比传统电极降低65%，离子扩散系数提升58%。DSC分析证实传统聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂在-15°C即发生玻璃化转变，而新型电极完全规避了这一限制。

最终组装的电池在-45°C下输出容量达0.1 mAh cm^-2，较传统体系提升289%，500次循环后容量保持86.4%，库伦效率接近100%。三节串联电池可稳定驱动3V LED灯组，验证了实际应用可行性。这项研究不仅为镍铁电池开辟了低温应用新场景，其"溶剂化调控+结构工程"的双重策略更为其他碱性电池体系提供了普适性解决方案，标志着低温储能技术从材料设计到系统集成的重大突破。