高温储能新时代
中国科学家在热电池技术领域取得重大进展，有望延长专为极端环境设计的电力系统的使用寿命并提高其效率。中国科学院过程工程研究所的研究团队开发出一种新型正极材料，可有效抑制长期存在的“穿梭效应”——这一化学降解过程数十年来一直限制着热电池的性能。这项成果于2026年1月4日发表在《Advanced Science》期刊上，研究不仅实现了创纪录的能量密度指标，也解决了该领域最棘手的技术难题之一。
这项研究由王松教授和朱永平教授牵头，聚焦于过渡金属氟化物正极，具体而言是二氟化钴（CoF2）。研究人员将其包覆在一种特殊的碳壳中，该碳壳由共价有机框架（COF）衍生而来。这种创新的“布丁@壳”结构形成了选择性离子通道，既允许锂离子正常传输，又能阻挡导致容量衰减的大分子络合物。由此制得的电池正极在500摄氏度下实现了超过2.5伏的放电平台电压，比能量达到每千克882瓦时。这是迄今报道的高电压热电池正极中的最高指标，有望推动这项专业电力技术拓展至传统军事和航空航天领域以外的新应用。
认识热电池及其独特挑战
热电池是一类独特的电化学电池，专为在足以摧毁常规锂离子系统的环境中工作而设计。与在室温下运行的普通电池不同，热电池使用熔盐电解质，只有加热至350至550摄氏度时才会具备离子导电性。由于必须在极高温度下工作，热电池不适用于消费电子产品或普通电动汽车，但对于必须在热应力下保持可靠性的应用而言，它们不可或缺。
热电池目前应用于导弹和制导弹药等军用装备、航天器和飞机应急电源等航空航天系统、深井钻探设备以及某些工业流程。这类装置可以长期闲置而不发生性能退化，随后在加热至工作温度时瞬间启动，在从太空真空环境到钻孔深处巨大压力环境等各种条件下输出高功率电能。热电池实际上是一种一次性电源，优先考虑绝对可靠性而非可充电性，因此对于不容许发生故障的关键任务系统至关重要。
然而，高温熔盐环境也带来了独特的化学挑战。热电池中的传统正极材料在运行期间会溶解并迁移至电解质中。活性材料颗粒会逐渐偏离原本位置，导致可用容量下降，并引发不必要的副反应，损害电池性能。这种现象被称为“穿梭效应”，会造成活性材料流失和长期结构损伤，过去一直限制着热电池的能量密度和使用寿命。直到现在，工程师仍难以在阻止材料溶解的同时，维持电池工作所必需的离子电导率。
穿梭效应：分子迁移问题
要理解中国团队这一突破的重要意义，就必须了解过渡金属氟化物正极中引发穿梭效应的具体化学过程。电池运行时，CoF2会与电解质中的氯化锂（LiCl）发生阴离子交换，形成四氯合钴络合物（CoCl4 2-）。这些络合物是导致活性材料迁移、进而损害电池性能的主要因素。它们如同从建筑工地漂散的砖块一样，在电解质中迁移，造成不可逆的容量损失，并使充电效率随时间推移而降低。
以往解决这一问题的尝试包括加入不同类型的硫电极，或在电池结构中设置各种屏障。尽管有些方法在抑制溶解方面取得了一定成效，但都未能兼顾高性能和长期稳定性，提供全面解决方案。难点在于制造一种具有选择性渗透能力的屏障：它必须阻挡较大的CoCl4 2-络合物，同时允许较小的Li+离子在电极之间自由移动。传统的固体屏障要么阻挡所有物质，从而使电池无法工作；要么孔隙过大，无法阻止穿梭效应。
研究团队认识到，解决这一难题需要在纳米尺度上进行精准调控。有效锂离子和有害钴络合物之间的尺寸差异，为选择性阻隔提供了可能，但要制造出孔径足够均匀、能利用这一尺寸差异的材料，仍然十分困难。最终，研究人员从一种出乎意料的材料中找到了答案：共价有机框架。这是一类具有明确结构、可进行亚纳米级工程设计的晶态多孔材料。
COF壳层方案：原子级精准工程设计
这项突破的核心，是利用COF衍生碳材料在CoF2颗粒周围构筑特殊壳层。共价有机框架是一种晶态多孔物质，具有高度有序的结构和均匀的孔径。研究人员通过可控热处理将COF前驱体转化为碳质涂层，制成了具有均匀亚纳米通道的壳层，通道直径仅为0.54纳米。这一尺寸至关重要：既小到足以阻挡较大的CoCl4 2-络合物，又大到足以让Li+离子快速通过。
由此形成的结构类似布丁：活性CoF2颗粒被包裹在多孔碳壳内。研究人员将这一结构称为“尺寸筛分限域机制”。热力学分析和实验验证证实，这些定制通道可有效阻止有问题的钴络合物扩散，同时允许锂离子通过，从而在不影响离子电导率的情况下抑制穿梭效应。
我们的研究结果为通过精准界面工程设计下一代高能量密度热电池提供了机理基础。
论文通讯作者王松教授强调，这种方法带来的不仅是渐进式改进。CoF2@CSC700-24正极（其中CSC指经700摄氏度处理24小时的COF衍生壳层碳材料）取得了刷新该领域基准的实验结果。在500摄氏度、每平方厘米100毫安的条件下，该正极的放电平台电压保持在2.5伏以上，比容量达到每克365毫安时，比能量密度达到每千克882瓦时。与现有热电池技术相比，这些指标实现了显著跃升。
对航空航天、国防及其他领域的影响
这种正极设计带来的性能提升，可能使热电池的应用从传统的一次性军用和航空航天系统拓展至更多领域。现有热电池本质上是一次性电源，在特定任务中启动并使用一次。穿梭效应受到抑制，意味着电池有望延长工作寿命、提高可靠性，或许能够用于可重复使用的热电池系统，或需要在极端环境中持续供电的应用。
短期内，军事应用仍将是主要市场，因为热电池已广泛用作制导导弹、鱼雷和作战飞机应急系统的首选电源。更高的能量密度可以延长任务时长，或在输出相同功率的情况下降低电池重量。在航空航天工程中，每一克重量都会影响航程和机动性，因此这些因素至关重要。深井钻探作业也可能立即受益于性能更稳定的热电池，因为设备需要在地表以下数英里处承受高温和高压。
从长远来看，解决穿梭效应理论上可让热电池用于极端气候下的电网级储能、工业设施应急电源系统，或用于传统锂离子电池难以胜任的北极或沙漠环境中的特种电动汽车。热电池的工作温度很高，或许永远不会用于消费级智能手机供电，但这项技术可能在要求恶劣条件下瞬时输出大功率的下一代能源系统中发挥作用。
中国全面发展的电池研究生态
这项热电池突破是在中国科研机构持续深入开展电池研究的大背景下取得的。除了传统锂离子技术之外，多条技术路线也在同步推进，展现出通过多元创新抢占下一代储能市场的战略布局。
近几个月来，固态电池领域也不断传出重要进展。其中，中国科学院研究人员开发出一种自修复界面，无需施加较大的外部压力即可维持电池各层之间的接触。该技术利用碘离子迁移并形成自适应界面层，有望推动能量密度超过每千克500瓦时的固态电池发展。与此同时，天津大学研发出能量密度为当前特斯拉电池组两倍的锂金属电池，上海交通大学则推出了一种无负极钠硫电池，能量密度达到每千克1198瓦时，预估成本仅为每千瓦时5.03美元。
其他研究方向包括有望实现五分钟充电、寿命较锂离子电池延长四倍的石墨烯电池，以及采用硬碳负极、充电速度快于传统锂电池的钠离子电池。中国政府通过大规模资金支持推动这些研究，包括2024年启动的60亿元人民币固态电池专项，以及工业和信息化部开展的中期评估。
这种多管齐下的布局，反映出各方已经认识到，单一电池化学体系无法满足所有应用需求。热电池适用于极端环境，固态电池有望提升电动汽车安全性，钠离子电池可用于经济型电网储能，锂金属电池则致力于突破能量密度上限。中国科研机构同步推进这些方向，有望在未来数十年由不同电池技术主导的市场中提供相应产品。
从实验室走向实际应用
尽管研究结果令人振奋，但这项热电池技术要大规模应用仍面临若干挑战。研究证明了实验室规模下的可行性，但在扩大COF衍生碳壳的生产规模时，如何维持0.54纳米通道的精准均一性，仍是制造方面的难题。热电池本身因采用熔盐电解质且工作温度很高，需要特殊操作，因此只有在运行需求足以证明其复杂性合理的应用中才适用。
虽然抑制穿梭效应有助于提升长期循环稳定性，但仍需进一步验证。目前的研究证明了该机制的有效性，但航空航天和国防领域的热电池通常需要证明其在数千次潜在启动循环和多年储存后仍具备可靠性。还需开展更多测试，以确认COF壳层在反复热循环和长期高温运行中能够保持结构完整性和选择性渗透能力。
熔盐电解质的腐蚀性也给电池外壳和密封件带来了材料兼容性挑战。虽然这项正极突破解决了一条主要的性能退化途径，但完整的电池系统还必须将这项进展与同样可靠的负极和电解质管理技术相结合。研究团队下一步可能会围绕这一新型正极设计，优化完整电池结构。
要点
- 中国研究人员通过开发一种由共价有机框架（COF）衍生的碳壳，解决了热电池中的“穿梭效应”。该碳壳具有亚纳米级通道，可阻挡有害钴络合物，同时允许锂离子通过。
- 这种新型正极实现了创纪录的性能指标：在500摄氏度下，放电电压为2.5伏，比容量为365毫安时/克，能量密度为882瓦时/千克，是迄今报道的高电压热电池正极中的最高指标。
- 热电池使用熔盐电解质，在350至550摄氏度下工作，是常规电池无法胜任的军事、航空航天和深井钻探应用中的关键电源。
- 这项突破有望推动热电池从一次性军用装备拓展至可在极端环境中长期运行的储能系统。
- 这项研究是中国更广泛电池创新战略的一部分，该战略还包括固态电池、锂金属电池、钠离子电池和石墨烯电池等领域的同步进展。
