通过可充电电池技术进行的能量存储为我们的数字生活方式提供动力，并支持可再生能源并入电网。然而，寒冷条件下的电池功能仍然是一个挑战，激发了提高电池低温性能的研究。在低温下，水性电池（在液体溶液中）在倍率能力（每单位时间释放的能量的量度）方面比非水性电池做得更好。

香港中国大学工程师的新研究最近发表在《纳米研究能源》杂志上，提出了用于低温水系电池的水系电解质的最佳设计元素。该研究基于几个指标回顾了水性电解质的物理化学特性（决定了它们在电池中的性能）：相图、离子扩散速率和氧化还原反应的动力学。

低温水系电池的主要挑战是电解质冻结，离子扩散缓慢，因此氧化还原动力学（电子转移过程）迟缓。这些参数与电池中使用的低温水系电解质的物理化学性质密切相关。

因此，为了提高电池在寒冷条件下的性能，需要了解电解质如何应对寒冷（–50 ^o C 至 –95 ^o C / –58 ^o F 至 –139 ^o F）。研究作者兼副教授陆毅春说：“为了获得高性能低温水系电池 (LT-ABs)，研究水系电解质的温度相关物理化学性质以指导低温电池的设计非常重要。水性电解质（LT-AEs）。”

该图显示了水性电解质的设计策略，包括防冻热力学、离子扩散动力学和界面氧化还原动力学。学分：纳米研究能源

评估水电解质

研究人员比较了用于储能技术的各种 LT-AE，包括水系 Li ⁺ /Na ⁺ /K ⁺ /H ⁺ /Zn ²⁺电池、超级电容器和液流电池。该研究从许多其他报告中收集了有关各种 LT-AE 性能的信息，例如用于水性 Zn/MnO ₂电池的防冻水凝胶电解质；以及用于锌金属电池的乙二醇（EG）-H _{2 O 基混合电解质。}

他们系统地检查了这些报告的 LT-AE 的平衡和非平衡相图，以了解它们的防冻机制。相图显示了电解质相随温度变化的变化。该研究还检查了 LT-AE 中与温度、电解质浓度和电荷载流子有关的电导率。

研究作者陆先生预测，“理想的抗冻水系电解质不仅应表现出较低的冷冻温度T _m，还应具备较强的过冷能力”，即液体电解质介质即使在冷冻温度以下仍保持液态，从而能够在超低温下进行离子传输。

研究作者发现，确实，使电池能够在超低温下运行的 LT-AE 大多表现出低冰点和强大的过冷能力。此外，Lu 提出“通过提高最小结晶时间 t 和提高电解质的玻璃化转变温度与凝固温度的比值 ( T _g / T _{m )，可以实现强过冷能力”。}

已报道的用于电池的 LT-AE 的电荷电导率可以通过降低发生离子转移所需的能量、调整电解质的浓度以及选择促进快速氧化还原反应速率的某些电荷载流子来提高。Lu 说：“降低扩散活化能、优化电解质浓度、选择低水合半径的电荷载流子以及设计协同扩散机制将是提高 LT-AE 离子电导率的有效策略。”

未来，作者希望进一步研究有助于提高低温下水系电池性能的电解质的物理化学性质。“我们希望通过设计具有低冷冻温度、强过冷能力、高离子电导率和快速界面氧化还原动力学的水系电解质来开发高性能低温水系电池（LT-ABs），”Lu 说。