中国南极秦岭站，坐落于地球极南之境，常年狂风呼啸，严寒刺骨，年均气温低至零下40摄氏度，极夜漫长，连续半年不见天日。在这片生命禁区之中，维持科考站的正常运行，堪称一项艰巨无比的挑战。

长久以来，大多数南极科考站依旧依赖柴油发电机供电，不仅成本高昂、运输风险重重，还会对脆弱的基地环境造成难以磨灭的影响。

有没有可能设计一款电池，为地球最严寒、最黑暗和最遥远的大陆提供“冰冻能源”？

近日，浙江大学材料科学与工程学院范修林教授、浙江大学杭州国际科创中心传化创新研究院李如宏研究员团队联合上海交通大学邓涛教授团队提出一个创新性的解决方案。

他们在电解液中添加了一种特殊的“魔法添加剂”——三甲基硅基三氟甲磺酸盐（TMSOTF），成功使得商用硬碳在-40℃下实现了超过2400次循环的使用寿命，表现出卓越的循环稳定性。

这项工作，为推进低温电池技术的界面设计策略提供了关键见解。

超低温环境，电池也怕冷

钠离子电池不仅资源储备充沛、成本可控性强，还具备出色的安全性，在高低温环境中均能保持相对稳定的性能表现。同时，其产业化基础扎实、前景良好，目前已在能源存储领域展现出极为广阔的应用潜力。

然而，在极端低温条件下（如≤−40°C），钠离子电池的性能往往受到严重限制，主要表现为界面动力学迟缓和固体电解质界面的不稳定性。

“低温下线性溶剂分子在电极/电解质界面处的定向聚集，就像一群人冷到‘抱团取暖’，堵塞了离子传输通道；同时，固体电解质界面结构稳定性不足，容易陷入‘破裂-修复-再破裂’的恶性循环，电荷转移阻力增大，严重影响了电池的循环寿命和库伦效率。”李如宏解释。

量子化学带来突破：轨道重叠打破“低温魔咒”

范修林、李如宏团队想出了一个巧妙办法：既然低温环境下溶剂分子容易“抱团”，那就引入新物质来“拆散”它们。

这就好比给一群冻僵的人注入能量，让大家重新活跃起来、恢复运动，原本受阻的通道自然也会变得畅通无阻。

团队博士后郑家乐提出了一种基于轨道重叠机制的界面重构策略。通过量子化学计算和分子动力学模拟，引入TMSOTF作为双电层调节剂，有效打破低温下溶剂分子的定向聚集行为，促进阴离子迁移与无机富集固体电解质界面的形成。

简单来说，引入这种“添加剂”的巧妙之处就在于，能够在电池工作时产生自由基。自由基与溶剂分子成功“握手”后发生轨道重叠。一方面电子密度重新分配，被握住手的自由基失去“自由”，降低电子云密度；另一方面降低了溶剂分子的极性，打破了溶剂积聚。

这种相互作用促进了界面重构，促进富含无机物的固体电解质界面的形成并在低温下提高了界面处钠离子的传质速度。实验结果显示，采用TMSOTF电解液的电池在-40℃环境下性能表现卓越：初始库伦效率（ICE）高达82.9%，并实现了超过2400次的超长循环寿命，是目前低温钠离子电池性能的领先水平。

未来，这项技术能更广泛地应用于极地科学考察装备、高空无人机电源、寒区可再生能源储能，甚至太空探测设备电源等，为能源注入“抗寒基因”，推动高性能低温电池技术的发展。