随着全球能源危机的加剧，开发可再生能源已成为减少对化石燃料依赖的关键。为了适应这一趋势，大规模储能系统的需求日益增长，水系电池因其安全性和环境友好性备受关注。然而，水系电池在低温条件下的电化学性能欠佳，电解液在低温下会变得黏稠甚至冻结，导致离子传导能力降低。虽然目前已有多项针对防冻或低温水系电解液的研究，但其低温性能仍普遍低于室温，这限制了水系电池在寒冷气候中的使用。为此，提升水系电池在低温环境下的性能成为了当前研究的重点。
本研究通过在电池结构中集成光热集流体（PCC），利用光热材料将太阳能高效转化为热能，并通过浆料电极快速传热至电池内部，实现了光热电池的快速自加热。此外，本文还开发了集成光集中器和温控系统，进一步提高加热速度，并确保电池在不同气候条件下的温度稳定性。
首先，作者展示了光热电池的整体结构及光热集流体的制备过程以及光热转化性能（图1）。电池的核心组件包括锌浆料负极、磷酸铁锂浆料正极和光热集流体，该集流体由科琴黑（KB）与聚丙烯腈（PAN）复合电纺制成。对太阳光谱的吸收实验表明，KB@PAN–Cu集流体显示出显著提高的太阳能吸收效率。
图1. (a) 光热电池的结构示意图。(b) KB@PAN–Cu光热集流体的制备过程示意图。(c) KB@PAN–Cu光热集流体、PAN–Cu集流体和铜集流体的拉曼光谱图。(d–e) KB@PAN–Cu光热集流体的扫描电子显微镜（SEM）图像。(f) KB@PAN–Cu集流体、PAN–Cu集流体和铜集流体的太阳能吸收特性，灰色阴影区域表示标准AM1.5 G太阳光谱加权后的太阳光谱辐照度。(g) KB@PAN–Cu集流体、PAN–Cu集流体和铜集流体在1个太阳光照射5分钟后的照片和红外热成像图。(h) 在模拟太阳光下，KB@PAN–Cu集流体、PAN–Cu集流体和铜集流体的表面温度变化。(i) KB@PAN–Cu集流体在1个太阳光照条件下的间歇照明测试。
其次作者展示了浆料电极的流变学特性和导热性（图2）。不同浓度的KB使浆料电极呈现出不同的流动性和导热性。KB含量增加会显著提升浆料电极的粘度、导电性及热传导效率，实验表明80 mg/mL的KB浆料电极具备最佳性能。
图2. (a) 不同Ketjen black (KB)浓度浆料电极的数码图像。(b) 不同KB浓度浆料电极的流变学特性。(c) 浆料电极阻抗谱的变化。(d) KB浓度为80 mg/mL的冷冻干燥浆料电极的扫描电子显微镜（SEM）图像。(e) 在25°C下，不同KB浓度浆料电极的热导率。(f) 在70°C热板上加热时，不同浆料电极的温度变化。(g) 在模拟相当于3倍太阳能照射的条件下，光热电池核心温度的变化，浆料正极和负极的厚度均为1000微米。(h) 不同KB浓度浆料电极的时间依赖性热传导模拟结果。
为了提升光热电池系统的加热效率，作者通过使用菲涅尔透镜将阳光集中到电池上，显著提升了电池的加热速度，实验证明电池的核心温度可以在短时间内迅速提升。（图3）此外，集成的温度控制模块可稳定电池温度，防止过热，进一步提高了光热电池在复杂气候条件下的适应性与实用性。
图3. (a) 配备聚光器的光热电池系统的数码照片。(b) 不同透镜面积下通过菲涅尔透镜的阳光功率密度变化。(c) 配备和不配备聚光器系统的电池温度变化对比。(d) 光热电池系统在真实寒冬季节的户外测试。(e) 配备和不配备温控模块的电池温度变化对比。
最后，作者展示了光热电池在低温下的电化学性能。（图4）实验表明，相比于传统电池，光热电池在-20°C下的电化学阻抗大幅降低，充放电性能显著提高，且在变化的环境温度下依然能够保持稳定的核心温度。
图4. (a) 光热电池的电化学阻抗谱（EIS）。(b) 光热电池在扫描速率为0.1 mV/s条件下的循环伏安（CV）曲线。(c) 光热电池在电流密度为0.2 mA/cm²条件下的恒流充放电（GCD）曲线，ΔV为充电和放电的中间电压差。(d) 光热电池的倍率性能。(e) 在光照和温度控制模块作用下，电池核心温度、环境温度及相应的五次充放电循环过程中GCD曲线的变化。电流密度为1 mA/cm²。
本研究提出了一种水系光热浆料电池，其特点是在低温下能够快速自加热的KB@PAN–Cu光热集流体。该集流体的多孔微观结构和宽光谱太阳能吸收能力确保了优异的光热性能。此外，浆料电极的高导热性使其能够有效吸收光热。在厚度为1000微米的浆料电极作用下，电池的核心温度可在短时间内从-18°C迅速上升至20°C。通过引入聚光和温度调控系统，电池性能得到了进一步优化。户外测试证实了该电池在严寒冬季的实际环境中可以高效加热。即使环境温度在-5°C至5°C之间波动，电池在连续充放电循环中仍能保持稳定的20°C核心温度。此方法在寒冷气候下的水系电池系统实际应用中展现了巨大的潜力。
王大伟，深圳理工大学讲席教授，材料科学与能源工程学院副院长，国家高层次人才。长期致力于仿生能源材料与器件，生物质精炼制氢与小分子增值电催化技术，以及废塑料资源循环再生技术与系统等领域的基础研究与技术转移转化。归国前任职澳大利亚新南威尔士大学终身教授，博士生导师，澳大利亚研究理事会 Future Fellow，澳大利亚碳材料中心执行主任。目前兼任 Wiley 旗 下 Carbon Neutralization 杂志副主编，多个国家及地区基金国际评委。迄今在诸多高影响力（包括自然索引期刊）材料、化学和能源领域期刊发表SCI 论文 200 多篇 ，被 SCI 他引30000余次，h因子逾70。作为澳大利亚能源局和工业部首席科学家主持完成先进电池、氢能技术转化落地，拥有多项国际PCT发明专利授权。连续入选科睿唯安全球高被引科学家及斯坦福全球前2%高影响力科学家。获得爱思唯尔- Australasia 工程技术学科 2013 年度青年科学家，2018 年辽宁省自然科学一等奖，2020 年 International Coalition for Energy Storage and Innovation 青年科学家奖(under 40)。
方若翩，2018年博士毕业于中国科学院金属研究所，现为澳大利亚新南威尔士大学讲师，研究方向为高能二次电池体系。获得澳大利亚研究理事会（ARC）发现早期职业研究员奖（DECRA），中国科学院院长特别奖。学位论文被评为中国科学院优秀博士学位论文。在Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等SCI期刊上发表论文30余篇, SCI他引4300余次。担任Carbon Neutralization青年编委。
褚德伟，现任澳大利亚新南威尔士大学材料科学与工程学院教授。2008年毕业于中科院上海硅酸盐研究所，2010年获得日本JSPS资助，2014年获得澳洲研究理事会杰青资助，迄今已获得科研经费超过2000万澳币。目前主要开展柔性电子器件的关键材料制备与打印研究。课题组在Nature Communications, Advanced Materials, Energy &Environmental Science, ACS Energy Letters 等期刊发表文章超过180篇，毕业研究生25名。
Energy Materials and Devices
Energy Materials and Devices是清华大学主办的全英文开放获取(Open Access)期刊，2023年9月创刊，清华大学康飞宇教授担任主编。作为一本瞄准能源材料前沿领域、国际化的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，面向全球发表原创性、引领性、前瞻性研究进展，推动能源科学和产业发展，助力“碳达峰、碳中和”。
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