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(wěn)定可靠的能源系統(tǒng)成為動力驅(qū)動、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(zhàn)。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(huán)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(fā)表綜述文章，系統(tǒng)梳理了當前在深空、深海、深地、極地等極端環(huán)境下的電化學儲能系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)、關(guān)鍵科學問題、先進技術(shù)路線以及未來發(fā)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。
 

　　本綜述系統(tǒng)梳理了近年來極端環(huán)境儲能電池的研究現(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展和主要挑戰(zhàn)，深入剖析了極端工況對儲能系統(tǒng)及電解質(zhì)、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(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機制水平到整體電能源系統(tǒng)進行了全面概述，總結(jié)了基于各種電化學與環(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)、離子擴散和輸運等關(guān)鍵性能參數(shù)的影響機制，明確構(gòu)建基于電化學-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，電化學儲能系統(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)計策略(表面溫差高達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)運行。該愿景不僅聚焦材料本體性能的極限突破，也強調(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聚焦于復雜工況條件下的高比能量儲能體系的構(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，實現(xiàn)了超臨界Li-CO2電池、Li-N2電池的可逆循環(huán)，初步驗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。