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韩国成均馆大学&澳大利亚伍伦贡大学综述：低温全固态电池的发展策略、前景与挑战

2026-9-6 13:53

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Low-Temperature All-Solid-State Batteries

Hyojoo Lee, Joo Hyeong Suh, Jaeik Kim, Wei Kong Pang, Konstantin Konstantinov, Junyoung Mun*, Taeseup Song* & Jung Ho Kim*

Nano-Micro Letters (2027)19: 3

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02270-0

本文亮点

1. 指出全固态电池可通过耐低温固体电解质克服传统液态锂离子电池电解液冻结、离子传输迟滞的固有缺陷，在零下环境中维持相对稳定的离子电导率。

2. 阐明低温下全固态电池性能衰减的多因素耦合机制，涵盖锂离子传输抑制、副反应引发界面阻抗上升、接触失效与微裂纹等机械失稳问题。

3. 提出实现优异低温性能需材料设计创新与系统级工程优化协同推进，为极端环境储能技术的实用化发展明确核心方向。

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研究背景

随着新能源汽车、便携式电子设备与电网储能系统的快速普及，锂离子电池已成为支撑全球能源转型的核心储能技术，应用场景正逐步从常规环境向极端条件延伸。极地科考、军事装备、深空探测等战略领域，要求储能器件能够在零下数十摄氏度的严苛环境下稳定工作，对电池的宽温运行能力与低温可靠性提出了极高要求。商用液态锂离子电池在低温环境下存在难以突破的固有瓶颈：有机电解液黏度随温度骤降而急剧升高，甚至发生凝固，导致离子电导率大幅衰减、锂溶剂化/去溶剂化过程严重受阻；电极界面电荷转移动力学迟滞，还会诱发负极析锂、容量快速衰减、充电困难等问题，极端低温下甚至完全失效，无法满足极寒场景的供电需求。尽管电解液添加剂、外部加热等方案已被广泛尝试，但仍未能从根本上解决液态体系的低温失效难题。以不可燃、不冻结的固体电解质替代液态电解液的全固态电池，被视为突破低温储能瓶颈的核心技术路径。固体电解质的离子传输不受溶剂冻结限制，可在零下环境维持相对稳定的离子传导能力，同时兼具更高的安全性与更宽的电化学窗口，且能兼容高能量密度锂金属负极，适配极端场景对能量密度与可靠性的双重要求。然而，全固态电池在极低温环境下仍面临多重耦合的性能衰减挑战：锂离子跨越固-固界面需要克服更高的活化能垒，低温下热能量不足导致体相传导与界面电荷转移均显著受阻；电极与电解质间的界面副反应会生成高阻钝化层，进一步抬升界面阻抗；冷热循环引发的体积形变与机械失配，还会造成界面接触失效、微裂纹萌生，最终加剧极化并引发容量快速衰减。因此，从固体电解质离子传导调控、电极界面稳定化到全电池机械完整性设计开展系统性优化，是破解全固态电池低温性能瓶颈、推动其在极寒场景实用化的关键所在。

内容简介

围绕极地装备、军用设备、深空探测等极寒应用场景，韩国成均馆大学Junyoung Mun、汉阳大学Taeseup Song、澳大利亚伍伦贡大学Jung Ho Kim团队系统梳理低温全固态电池的发展历程、衰减机理与各类材料优化技术路线，并从固体电解质、正负极三大核心组件分类总结现有改性方案。文章系统剖析低温下电池性能衰减三大耦合根源：离子输运活化能垒过高、界面副反应生成高阻层、冷热形变造成界面接触破损；分别介绍聚合物、硫化物、氧化物、卤化物等各类固态电解质提升低温离子电导率的改性手段，以及正极界面钝化、负极预锂化、构筑紧密固固接触等电极优化策略，对比不同材料体系的优劣与适用温区。作者提出“电解质-正极-负极”一体化协同优化思路，强调离子传导、界面稳定、机械适配三者需同步统筹设计。综述进一步梳理模组工程、热管理、AI辅助仿真等系统级改进方案，归纳当前领域亟待攻克的核心瓶颈：低温离子动力学滞后、固固界面长期不稳定、大面积超薄电极均匀制备、高成本固态材料等，同时对未来材料创新、原位表征、规模化工艺与多场景落地给出系统性发展展望。

图文导读

I 引言

全球电动汽车、便携电子与大规模储能产业高速扩张，储能设备使用边界持续拓展，极地科考、军用无人机、深空卫星等装备需长期在-30 ℃至 -100 ℃超低温环境稳定供能，传统液态锂电池短板彻底暴露。有机电解液低温黏度激增、极易冻结，锂去溶剂化反应受阻，界面电荷转移动力学大幅衰减，极易出现容量跳水、析锂短路、电解液燃爆等安全隐患，电解液添加剂、外部保温等改良手段仅能缓解问题，无法从根源突破体系局限。全固态电池采用无液态、不冻结固态电解质，不存在溶剂化束缚，低温离子传导稳定性更强，同时具备高安全、高能量密度优势，成为极寒储能最优替代方案。但现有全固态电池在零下环境仍存在多重耦合衰减问题：低温热动能不足，锂离子难以跨越传导活化能垒；电极/电解质界面持续发生副反应生成高阻钝化层；冷热收缩带来界面剥离、微裂纹等机械损伤，多重缺陷叠加造成电池极化激增、循环快速衰减。本文系统梳理全固态电池低温领域发展脉络，完整复盘铅酸、银锌、传统液态锂电等历代低温储能技术优劣，从固态电解质、正负极三大核心组件拆解改性策略，厘清各类材料低温适配性，梳理航天、极地等多元应用需求，剖析现存核心瓶颈并给出材料、器件、系统多维度一体化优化思路，为低温全固态电池后续研发与工程落地提供完整理论参考。

图1. 不同低温应用场景对应的储能工作温度区间及典型设备示意图。

II 电池技术发展历程

为厘清低温储能技术的迭代逻辑，本章梳理了自 1859 年铅酸电池问世至今百余年二次电池发展脉络，逐一剖析历代储能体系在极寒工况下的性能短板与适用边界。最早实现规模化应用的铅酸电池结构简单、制造成本低廉，但能量密度仅30-50 Wh kg⁻¹，仅可稳定运行至-20 ℃，且深度循环下衰减速度快，无法满足航天、极地等高需求场景；后续银锌电池能量密度提升至70-120 Wh kg⁻¹，放电功率优异，却受制于电解液低温冻结问题，循环寿命短，仅少量用于早期航天设备。1899 年诞生的镍镉电池可在 -20 ℃下实现稳定放电，但镉元素具有严重的环境危害，加之存在记忆效应缺陷，该电池体系逐步被淘汰；镍氢电池的循环寿命得到大幅提升，曾应用于哈勃望远镜等航天器，然而电池模组体积大、单位成本较高，限制了其大规模推广。1991年索尼实现液态锂离子电池商业化，150–250 Wh kg⁻¹ 的能量密度使其迅速覆盖消费电子、电动汽车乃至深空探测设备。但液态体系底层缺陷无法根除：低温下电解液黏度陡增、锂去溶剂化进程受阻，充电易析出金属锂，不仅容量大幅缩水，还存在起火爆炸风险，即便搭配各类低温电解液添加剂、外部加热模块，也只能治标不治本，难以适配-50 ℃乃至-100 ℃的极端深空、极地环境。时序发展图直观标注了各类电池诞生时间、能量参数与典型应用设备，同时对比液态电解液与固态电解质在低温下的锂离子传输差异。全固态电池凭借不冻结、不可燃的固态介质，彻底规避液体电解液的低温失效痛点，拥有更宽工作温区与更高安全上限，成为下一代极寒储能核心方案。但现阶段固态体系仍面临低温离子传导受阻、固固界面机械失配等多重耦合难题，梳理历代电池的优劣对比，能够为后续低温全固态电池材料、界面优化方向提供清晰的历史参照与技术借鉴。

图2. 各类储能电池发展时间线及能量密度对比，液态与固态电池低温离子传输行为对比示意图。

III 低温全固态电池核心挑战

本节系统拆解低温环境下全固态电池性能衰退的三大相互耦合核心诱因，厘清各项失效机制之间的内在关联。首先是离子输运动力学限制：低温环境体系热动能大幅降低，锂离子在固态电解质晶格、电极材料内部迁移时需要跨越极高活化能势垒，体相离子电导率断崖式下滑，造成严重极化损耗；其次是界面劣化问题，低温加剧电极与固态电解质之间的化学不兼容，持续发生副反应生成高阻抗惰性中间层，不断抬升电荷转移阻力；第三为机械结构失稳，电极、电解质冷热膨胀系数存在明显差异，温度骤降引发界面收缩剥离，内部产生大量微裂纹，破坏连续离子传导通路，三者互相放大恶化电池整体性能。

文章同时对比了传统液态锂电池与全固态电池低温工作机理，直观展示电解液冻结失效和固态体系接触破损两种完全不同的衰减模式。研究指出，上述三类瓶颈并非独立存在，离子传导迟缓会加剧局部锂富集，诱发不均匀沉积；界面高阻层进一步放大局部温差，加重界面形变开裂，形成恶性循环。同时现有研究尚未完全区分低温下体相传导、界面电荷转移、电极扩散三者谁为速率控制步骤，各类表征手段难以原位捕捉极低温下界面动态演化过程。单一优化电解质或电极材料均无法同步破解三重耦合难题，仅依靠材料改性难以实现电池在-50℃乃至深空-100℃稳定长效运行，必须建立从材料到器件的一体化协同设计思路，统筹调控离子迁移能、界面化学相容性与机械匹配度，为后文固态电解质、正负极分层优化策略搭建完整理论逻辑。

图3. 液态锂电池与低温全固态电池结构对比及三类核心性能衰减机理示意图。

IV 低温全固态电池的材料设计

为攻克全固态电池低温运行难题，现有优化方案主要分为三类：一是选用低活化能、高本征离子电导率固态电解质，搭配动力学优异电极材料，提升电荷传输效率；二是抑制电极-电解质界面副反应，减少高阻分解物生成；三是优化固-固界面贴合程度，构建连续锂离子传输通路。

4.1 固体电解质

4.1.1 固态电解质离子电导率提升策略

本节聚焦固态电解质低温离子传导短板，系统梳理聚合物、无定形氧化物、高熵硫化物三类主流电解质的电导率优化路径，依托图4系列图表展示各类材料结构调控方案与低温电化学性能。针对传统PEO基聚合物室温离子电导率极低、低温传导近乎停滞的痛点，介绍双交联生物基淀粉复合固态电解质(BStSi)，通过有序醚键网络构建海量锂离子结合位点，大幅促进锂盐解离，在-20 ℃仍保有3.10×10⁻⁵ S cm⁻¹ 的高离子电导率，配套锂铁磷全电池可在0.1C、-20 ℃下稳定循环300圈。同时介绍介孔氰基二氧化硅复合聚合物电解质，利用孔道与氰基基团双重作用强化锂盐解离，-10 ℃下长循环容量保持优异。无定形氧氯化物体系通过调控不饱和Ta-Cl化学键，构建低迁移势垒锂离子传输通道，1.6Li₂O-TaCl₅体系活化能低至0.274 eV，-10 ℃全电池300圈容量保有79.2%。此外引入氮化锂掺杂策略，制备完全非晶 Ta 基电解质，在-30 ℃依旧维持可观导电能力；高熵硫化电解质借助多元素混叠拓宽锂离子低能渗透通道，-10 ℃电导率媲美室温传统LGPS材料。图4分别展示各类电解质合成分子结构、微观形貌、变温离子传导性能与低温循环曲线，直观对比不同结构改性对活化能、离子迁移效率的改善效果，证明分子交联、非晶化、高熵掺杂等手段可有效削弱低温势垒束缚，为固态电解质低温改性提供多套可落地结构设计思路。

图4. 聚合物、无定形氧化物固态电解质结构设计、微观形貌及低温电化学性能对比图 (a) 双交联 BStSi 聚合物电解质合成路线与分子结构示意图；(b) 不同温度下Li|BStSi|LFP 电池循环性能曲线；(c) 介孔 p-CN-SiO₂复合聚合物电解质制备流程示意图；(d) -10 ℃下复合电解质基电池循环容量与库仑效率曲线；(e) 1.6Li₂O-TaCl₅无定形电解质 XPS 表征图谱；(f) 无定形体系局域配位结构与锂离子迁移机理示意图；(g) -10 ℃下氧氯化物固态电池长循环性能；(h) Li₃N掺杂制备全非晶Ta基电解质流程与分子模拟结构图；(i) -30 ℃下L₁.₂₅NTCl基电池充放电循环曲线。

前文介绍聚合物、无定形氧化物电解质改性方案，本节进一步聚焦高熵与卤化物型硫化固态电解质，阐释多元素掺杂、阴离子无序化等调控手段对低温离子电导率的提升机制。高熵硫化电解质通过多主元元素掺杂提升混合构型熵，拓宽锂离子低能渗流通道，大幅降低迁移活化能。文中 LSiGePSBrO高熵体系依托复杂多元素晶格，在-10 ℃仍具备9 mS cm⁻¹的超高离子电导率，搭载LNO包覆正极的电池可实现101.2 mAh g⁻¹的可逆容量，低温性能接近室温基准硫化电解质。对于阿基罗德型硫化物，通过Cl⁻取代调控阴阳离子占位无序度，弱化锂离子与阴离子骨架相互作用，加速离子迁移，Li₅.₅PS₄.₅Cl₁.₅体系在公斤级批量合成后依旧保持高电导，-20 ℃下匹配NCM622正极循环200圈容量保有97%。同时文章对比不同晶粒尺寸NASICON 型氧化物电解质，证实烧结助剂促进晶粒长大、缩减晶界占比，能够有效降低低温晶界阻抗，改善整体离子传输能力。图5通过晶体结构指标、电导率活化能统计、高低温充放电曲线、材料微观形貌多维度数据，直观对比高熵、卤化物、氧化物三类硫化无机固态电解质的低温性能差异，明确阴离子无序、高熵设计、晶粒调控三类优化思路的适用场景与性能增益，完整完善固态电解质全品类低温改性技术体系。

图5. (a) LGPS、阿基罗德电解质晶体结构参数与混合熵关联统计图；(b) LSiGePSBrO 高熵电解质电池不同温度放电曲线；(c) Li₆₋ₓPS₅₋ₓCl₁₊ₓ体系离子电导率与活化能变化柱状图；(d) Li₅.₅PS₄.₅Cl₁.₅基 NCM622 电池-20 ℃循环曲线；(e) LPSCl与LASI-80Si两种电解质体系不同温度容量保持率对比；(f) LAGTP、LAGTPB陶瓷电解质晶粒SEM形貌对比图。

4.1.2 固态电解质界面副反应抑制策略

本节围绕固态电解质电化学分解问题，介绍多种界面稳定化改性手段，从电解质本体、电极集流体两个维度阻断有害副反应，缓解低温下界面阻抗持续攀升的问题。针对硼氢化物电解质易发生电子泄露、氧化分解的缺陷，采用 PMMA 原位熔融包覆手段，在颗粒表面生成共价键修饰层，大幅降低电子电导率，从根源抑制氧化副反应，-30℃对称电池可稳定循环225小时无短路。针对聚合物电解液溶剂易与锂负极发生副反应的痛点，冻干制备局域高浓度固化电解质，通过高分子骨架固定溶剂分子，削弱溶剂与锂金属的相互作用，Li|LFP 电池在-10℃可稳定输出100–110 mAh g⁻¹可逆容量。同时研究发现铝集流体会与卤化物固态电解质发生腐蚀反应，在铝箔表面包覆石墨烯碳层可优化界面结合能，抑制LIC电解质分解产物 InCl₃生成，低温长循环容量与容量保有率得到显著提升。图6从界面修饰机理、对称电池恒流极化曲线、聚合物分子束缚模型、全电池低温循环、集流体界面结合能仿真多个维度，直观验证各类钝化方案对界面劣化的抑制效果，为缓解低温界面副反应提供可行改性思路。

图6. (a) PMMA原位修饰LiBH₄基固态电解质颗粒结构示意图；(b) 有无PMMA 修饰的Li-In对称电池- 30℃长循环极化曲线；(c) 固化局域高浓度电解质分子束缚机理示意图；(d) Li|S-LHCE|LFP电池-10℃充放电循环性能；(e) 裸铝箔与石墨烯包覆铝箔分别和LIC电解质的界面结合能模型；(f) 两种集流体匹配的全电池-10℃容量衰减对比曲线。

4.1.3 固态电解质界面接触优化及多功能复合方案

本节围绕固-固界面缝隙、接触失效难题，重点介绍原位聚合、黏弹性聚合物等改善界面贴合的核心方法，同时梳理兼顾电导、界面稳定、紧密接触的一体化多功能改性策略。原位聚合工艺可让液态前驱体在电池内部固化成型，完美浸润电极孔隙，消除层间空隙，在-15℃低温下，基于VEC原位聚合电解质的锂铁磷电池仍可稳定输出 104 mAh g⁻¹ 可逆容量。醚-胺嵌段型聚合物电解质具备独特黏弹性，低温下呈类凝胶状态，能够紧密贴合电极表面，构筑无缺陷连续界面，搭配锂氟富SEI保护负极后，电池在-20℃循环1200圈仍保有81.5%容量。针对单一改性手段存在短板，文中介绍多种多功能一体化设计：原位聚合DOL体系可同步实现紧密界面与锂氟稳定保护层；LLZTO掺杂复合聚合物既能提升锂盐解离效率，又抑制亚硝胺与锂负极副反应；原位交联塑晶电解质通过分子锚定阻止低温结晶，同步优化界面贴合与离子传导。图7展示各类电解质的合成结构、界面形貌、高低温充放电曲线，直观对比原位成型、黏弹性基体、多组分协同改性对界面接触与低温循环性能的提升效果，证明多目标协同设计是平衡电导、界面稳定、机械贴合的有效路径。

图7. (a) VEC原位聚合固态电池层间一体化结构示意图；(b) 不同温度下Li原位PVEC|LFP充放电曲线；(c) PEO-b-PA复合电解质分子结构与离子传输机理；(d) -20℃下液态电解质与PP6LS20@GF固态电池长循环对比；(e) DOL原位聚合体系界面与锂金属稳定SEI示意图；(f) Li|PDE|S 与液态电解液电池低温容量对比；(g) LLZTO复合聚合物电解质微观结构示意图；(h) -10℃下LCPE基电池循环性能曲线；(i) ETPTA与SN交联网络分子配位结构；(j) -20℃高负载NCA全电池充放电曲线。

4.1.4 固态电解质多功能一体化设计

单一改性方式仅能解决离子传导、界面稳定、界面接触中某一类问题，多功能复合策略可同步协同优化多重低温瓶颈。现有一体化方案主要分为三类：同步提升电导并抑制副反应、兼顾紧密界面与负极保护的同时实现离子快速输运、界面稳定与完整物理接触。以原位聚合1,3-二氧戊环电解质为例，聚合前驱体充分浸润电极孔隙形成无缝界面，分解生成的硼化物添加剂还可构筑富LiF稳定负极膜，双重作用改善低温循环。LLZTO掺杂聚醚体系利用陶瓷颗粒吸附小分子增塑剂，避免增塑剂与锂金属发生副反应，同时提升体系离子电导率。原位交联塑晶电解质通过大分子锚定增塑剂，杜绝低温结晶堵塞离子通道，大幅拓宽低温工作区间。这类多效改性思路规避单一材料的性能短板，大幅简化电池制备流程，是面向极寒场景固态电解质的重要发展方向。

4.1.5 各类固态电解质存在的固有权衡与局限

改善固态电解质低温性能的各类策略均存在固有权衡：硫化物与缺陷工程电解质低温电导率高但力学强度不足，易致界面形变与锂枝晶穿透；氧化物电解质力学坚固但活化能高，零下输运迟缓、极化增大；聚合物/复合电解质界面兼容性好但模量低、非活性组分多，损害力学稳定性与体积能量密度。增强离子输运的组分调控与缺陷工程还会引入反应活性位点，促进副反应与不稳定界面相，低温下尤甚；高熵、多组分设计则增加加工复杂度，限制可重复性与规模化。综上，离子电导率、界面接触与力学性能强耦合，单一性能优化不必然提升低温电池整体性能。

4.2 正极材料

在完成固态电解质多维度改性策略梳理后，本文进一步聚焦正极体系这一制约低温全固态电池性能的核心环节。低温工况下正极侧离子扩散阻力陡增，固-固界面极化显著加剧，各类活性材料与固态电解质极易发生界面互扩散、副分解。本节从离子输运提速、界面劣化抑制、致密界面构建三大维度，汇总现有正极改性方案，依托图8展示各类硫化、转化型正极低温优化机理与电化学表现。

4.2.1 正极锂离子输运动力学提升策略

低温环境下正极内部锂离子扩散、界面电荷转移速率大幅衰减，是全固态电池容量衰减核心诱因之一。本节梳理导电碳掺杂、原位双离子传导层构建、硫系短链调控、材料非晶化四类提速方案。低温可规避碳添加剂与卤化物电解质的副反应，碳纳米管等高导电填料可有效构建连续电子通路，大幅降低极化；Cu₂S正极循环中可原位生成铜-锂双离子传导界面，形成高速离子通道，-20 ℃下稳定维持400 mAh g⁻¹高可逆容量。FeS₂材料循环生成微量碘化锂中间相，可充当离子传输桥梁，搭配高电导硫砷化物电解质，-60 ℃仍可释放 226.8 mAh g⁻¹容量。通过Se、Te共掺杂调控硫正极形成短链硫分子，降低氧化还原能垒，-20 ℃循环百圈容量可达559.9 mAh g⁻¹。对MoS₂进行Ti掺杂球磨实现非晶化，消除刚性晶格对离子扩散束缚，显著改善极低温动力学。图8通过电极离子传输模型、原位界面机理、材料微观结构与高低温长循环曲线，直观对比不同正极改性策略的增益效果，为低温正极材料设计提供清晰路径。

图8. (a) 低温下复合正极电子、离子传输结构示意图；(b) CNT改性LCO基电池-10 ℃循环曲线；(c) Cu₂S正极原位双离子传导界面机理；(d) Cu₂S基电池-20 ℃长循环性能；(e) FeS₂复合正极离子传导中间相结构；(f) 不同固态电解质匹配 FeS₂电池-60 ℃容量对比；(g) 多硫族短链分子锂化反应示意图；(h) S₇Se₀.₅Te₀.₅正极-20 ℃循环曲线；(i) 不同球磨时长Mo₀.₅Ti₀.₅S₄ XRD图谱；(j) Mo₀.₅Ti₀.₅S₄基电池-20 ℃循环曲线。

4.2.2 正极界面降解抑制策略

固-固界面在低温下极易发生元素互扩散与电化学分解，生成高阻抗惰性杂相，大幅抬升电荷转移阻力。本节系统介绍表面包覆、电解质体系替换、活性组分调控三类界面稳定手段。在NCM三元正极表面包覆LiNbO₃超薄缓冲层，可隔绝正极与硫化电解质直接接触，抑制Li₂S、P₂Sₓ等绝缘副产物生成，大幅降低界面反应活化能；若采用卤化物固态电解质替代硫化电解质，能从根源削弱过渡金属与电解质的相互扩散，NCM9005 正极搭配 LIC 电解质在-30℃仍保有可观可逆容量。降低正极钴元素含量同样有效，高钴材料易与氧氯化电解质发生双向扩散，低钴NCM体系可原位生成稳定钝化层，阻断界面持续劣化。文中图9通过TEM形貌、EDS元素分布、变温充放电、长循环曲线直观验证各类包覆与组分调控方案的界面保护效果，对比有无保护层、不同电解质匹配下的低温容量差异，清晰证明界面钝化层与组分优化是缓解低温界面衰减的核心手段。

图9. (a) LNO包覆NCM712透射电镜与元素mapping图；(b) 有无LNO包覆电池-20℃循环曲线；(c) LiNbO₃包覆NCM523微观形貌图；(d) 包覆/未包覆电极从45℃至-40℃放电曲线对比；(e) NCM9005与LIC电解质界面分子模拟结构；(f) NCM9005-LIC体系变温容量变化曲线；(g) 低钴NCM与LTOC电解质界面结构示意图；(h) 低钴三元基电池-10℃超长循环性能；(i) 高能球磨制备超细复合正极工艺流程；(j) 三种粒径复合正极-20℃循环对比；(k) 大小固态电解质颗粒搭配的电极结构模型；(l) 两种电解质粒径配比电池低温循环曲线。

4.2.3 正极固-固界面物理接触优化策略

低温环境下电极与固态电解质热收缩行为不一致，极易产生界面间隙，切断锂离子连续传输通道，加剧极化与容量衰减。本节总结颗粒形貌调控、湿法预混、弹性复合基体构建等改善界面贴合的技术路线。通过高能球磨细化正极与电解质颗粒，缩小晶粒尺寸、增加接触位点，构建致密连续导电网络；引入少量黏弹性聚合物作为缓冲相，适配冷热循环带来的体积形变，缓解界面脱粘开裂。同时，采用分级粒径复配策略，大颗粒电解质保障离子长程传导，细小颗粒填充空隙，提升电极内部堆积密度。相关结果证实，单纯依靠材料改性难以抵御低温形变带来的接触失效，兼顾微观颗粒构型与柔性界面骨架设计，才能长期维持完整固-固接触，为宽温域正极电极结构设计提供可行方案。

4.2.4 正极体系现存权衡矛盾与发展局限

各类正极改性手段在提升低温性能的同时普遍存在性能制衡关系。导电剂大量添加可加快电荷动力学，但会挤占活性物质空间，降低电极整体能量密度；表面保护层、人工中间相可以稳定活性物质‑固态电解质界面，抑制副反应，但是额外的包覆层会增大离子迁移阻力。超细颗粒制备可提升界面接触面积，却加剧表面副反应与颗粒团聚。硫化基转化型正极具备优异低温动力学，但循环过程巨大体积膨胀持续破坏界面结构；三元氧化物正极结构稳定，低温下过渡金属析出诱发的界面劣化难以根除。除此之外，很多改性工艺流程繁琐，难以适配大面积电极涂布制备。上述多重取舍表明，单一维度优化存在明显上限，需要协同界面保护层设计、电极微观结构调控与电解质匹配，推动低温正极材料走向实际应用。

4.3 负极材料

负极是决定全固态电池低温性能的关键，负极与固态电解质界面的离子输运与电荷转移具有显著温度依赖性。低温下离子扩散迟缓、界面失稳易引发锂沉积不均、枝晶滋生与极化加剧。当前负极优化主要围绕构建紧密固 - 固界面、抑制界面副反应、构筑连续导电通路三类思路，以此调控锂沉积行为、遏制枝晶生长。下文将梳理代表性改性策略，阐述其对提升负极低温性能的作用。

4.3.1 提升输运动力学

石墨、硅等传统负极材料在负极-固态电解质界面存在较大界面阻抗，加剧动力学受限问题，造成锂离子输运迟缓、极化增大。在零摄氏度以下环境中，材料体相离子电导与界面电荷转移过程均受到强烈抑制，上述问题进一步恶化。预锂化策略可改善硅负极本征动力学短板。原始硅属于半导体，电子电导率与锂离子电导率均很低；而锂化硅的电子与离子传导能力显著提升，能够加快锂离子输运。基于该思路，Fan等人在铜集流体与硅负极之间引入10 μm 超薄锂箔。在堆叠压力下，开路电压上升，证实锂与硅自发发生反应(图10a)。在120 MPa压力静置24 h后，锂箔与硅负极完全反应生成预锂化硅(PL-Si，组分为Li₀.₈₅Si)。相较于普通硅负极电池，PL-Si|LPSCl|LNO@NCM811+LPSCl电池在dQ/dV曲线中氧化还原峰压差更小、峰强度更高，证明锂离子动力学得到改善。电化学测试显示，该电池在-20 ℃、-30 ℃下放电容量分别可达79.2 mAh g⁻¹与36.4 mAh g⁻¹(图10b)。上述结果表明，改善负极内部离子与电子输运能力，能够有效缓解低温下固有的传质动力学限制。

4.3.2 抑制界面劣化

硫化物固态电解质具备高离子电导率，但电化学稳定窗口较窄，当其与导电碳材料接触时问题尤为突出。碳材料会加速界面电子传递，诱发硫化物电解质发生有害副反应。移除促进电解质分解的碳添加剂，能够有效抑制负极/固态电解质界面的分解行为。Tan等人研究证实，纯微米硅(μSi)负极可在宽温域全固态电池中展现优异电化学性能。以NCM811为正极的全电池测试表明，当复合负极(硅+ LPSCl+20 wt%碳)中存在碳组分时，固态电解质在2.5 V 附近、尚未达到硅嵌锂电位便发生电化学分解。该分解现象源于碳构建的电子渗透通路，诱发固态电解质在负极界面发生还原分解。S 2p与Li 1s的 XPS 结果进一步证实体系生成大量钝化型Li₂S产物。为此研究人员构建不含碳、硅含量达99.9 wt% 的负极结构，显著缓解固态电解质副反应。电化学测试显示，μSi|LPSCl|NCM811+LPSCl电池在-20 ℃下仍可维持室温约35%的容量。上述结果表明，去除导电添加剂可有效抑制界面副反应、稳定负极-固态电解质界面，但该方案也会牺牲电极内部电子传导能力，存在性能权衡。

4.3.3 构建层间紧密接触

锂金属负极体系中，锂金属与固态电解质力学特性天然失配，循环过程(尤其脱锂阶段)易产生界面空隙。空隙破坏物理接触，造成电流集中，最终引发锂沉积不均、界面劣化加剧。传统夹层或包覆手段虽能改善初始界面接触，但锂易沉积在夹层表层，致使界面逐步分离，长期稳定性不足。Lee等人在集流体表面构筑银-碳(Ag-C)复合调控夹层。纳米多孔Ag-C层装配后即可与LPSCl紧密贴合；银组分提升导电性、降低锂成核势垒，实现致密均匀的锂沉积。依靠银锂合金化与亲锂特性，锂优先在Ag-C夹层下方、集流体界面析出，避免锂在夹层内部或表层堆积，抑制空隙生成。循环后截面SEM证实夹层内无残余锂与枝晶。0.6 Ah Ag-C|LPSCl|Li₂O–ZrO₂@NCM900505+LPSCl软包电池在-10 ℃下容量可达60 ℃时的40%以上。Wu等人同样证实，在锂负极与固态电解质间引入Ag-C夹层可形成稳定力学接触，大幅降低界面阻抗、优化电流分布。

4.3.4 负极存在的局限与性能权衡

各类负极低温改性方案在锂沉积行为、界面稳定性与电荷输运特性之间存在相互制衡关系，上述因素直接影响低温下枝晶的生成。为改善低温锂离子输运迟缓问题，常采用手段提升电极电子与离子电导，但传导通路局部强化易造成锂离子通量、电流密度分布不均，加剧零度以下环境中非均匀锂沉积与枝晶生长。

保护层与人工界面相能够抑制界面副反应、稳定负极-电解质界面，却可能阻碍锂离子传导、抬升低温界面阻抗，并引入更多非活性组分，牺牲能量密度。多孔骨架、亲锂载体等宿主结构可优化界面接触、调控锂成核，但同样增加非活性物质占比与制备复杂度，长循环依旧存在锂分布不均问题。综上，负极体系各项性能高度耦合，单一维度优化往往带来新的制约。如何抑制枝晶并维持稳定电化学性能，仍是低温全固态电池的核心难题。

V 前景展望

随着储能设备在极端环境中的应用拓展，具备低温稳定工作能力的电池技术需求愈发迫切。全固态电池凭借无易燃电解质、热稳定性优异、安全性高等优势，成为低温储能领域的优选体系，但极端低温工况下的性能衰减问题仍是其产业化的核心瓶颈。如图11所示，全固态电池的低温性能优化需突破单一材料改性局限，从材料、界面、电极结构、机理研究、系统设计多维度协同攻关，攻克低温下锂离子输运受阻、界面稳定性不足等核心难题。

材料本征离子输运受限是低温性能劣化的根源。室温下不同电极、电解质材料的离子电导率与扩散系数差异显著，硫化物电解质离子导电性最优，氧化物、聚合物电解质相对偏弱，正负极材料的锂离子扩散能力也各有差异。但低温环境会大幅抑制所有体系的离子迁移能力，导致输运效率骤降。因此，维持低温下稳定的离子输运性能，是保障全固态电池可靠运行的基础。

固-固界面失效是低温电池性能衰减的关键诱因。低温引发的热收缩与力学失配会造成界面接触失效、锂离子通量分布不均，同时界面副反应会生成高阻抗产物，堵塞离子传输通道，持续加剧电池极化与性能衰退。后续需通过构筑人工缓冲层、材料表面改性、优化复合电极结构等界面工程策略，维持严苛工况下稳定的固-固接触界面。

电极结构优化是提升低温动力学的重要手段。高负载电极在低温下极易出现传质受限、极化加剧、容量衰减等问题，可通过优化电极结构缩短锂离子扩散路径，引入柔性结构缓解循环过程中的微裂纹与界面脱粘问题。但该策略会增加非活性组分占比与结构复杂度，存在性能与实用性的固有权衡。此外，目前低温电池衰减的深层机理尚未明晰，亟需结合低温原位表征技术与多尺度模拟、人工智能辅助优化手段，厘清低温限速步骤与失效机制，为材料与结构设计提供理论支撑。

从系统层面出发，适配极端低温的热管理方案、电芯与模组结构优化，可进一步提升电池低温服役性能与安全性。同时，未来研究需兼顾低温性能与能量密度、成本、可制备性的平衡，开发高性能本征材料、简化电极结构、适配规模化制备工艺。总体而言，低温全固态电池的突破依赖多技术路径协同融合，多维度协同优化将推动其在极地、航天、军事等极端场景实现规模化应用。