高溫儲能的新時代
中國科學家在熱電池技術上取得重大進展，有望延長為極端環境設計的電力系統使用壽命，並提升其效率。中國科學院過程工程研究所的研究團隊研發出一種新型正極材料，能有效抑制長期存在的「穿梭效應」；這種化學劣化過程數十年來一直限制熱電池的性能。這項突破於2026年1月4日刊登在《Advanced Science》期刊，展示創紀錄的能量密度數據，同時解決該領域最棘手的技術挑戰之一。
這項研究由王松教授與朱永平教授領導，聚焦於過渡金屬氟化物正極，具體而言是二氟化鈷（CoF2），並將其封裝在一種由共價有機框架（COF）衍生的特殊碳殼中。這種創新的「梅花布丁@shell」結構形成選擇性離子通道，允許必要的鋰離子通過，同時阻擋造成容量衰退的較大分子複合物。由此製成的電池正極在攝氏500度時，放電平台電壓超過2.5伏特，比能量達每公斤882瓦時。這些數據是迄今高電壓熱電池正極所報告的最高值，有望為這項專用電力技術開拓傳統軍事與航太領域以外的新應用。
認識熱電池及其獨特挑戰
熱電池是一種特殊的電化學電池，專為在足以摧毀傳統鋰離子系統的環境中運作而設計。一般電池在室溫下運作，熱電池則使用熔融鹽電解質，只有加熱至攝氏350至550度時才會具備離子導電性。極端高溫的要求使熱電池不適用於消費性電子產品或一般電動車，但對於必須在熱應力下維持可靠性的應用而言，卻極具價值。
熱電池目前應用於飛彈與導引彈藥等軍用裝備、太空船與飛機緊急電力裝置等航太系統、深井鑽探設備，以及部分工業製程。這些裝置可長年閒置而不劣化，接著在加熱至運作溫度時立即啟動，在從太空真空到鑽孔深處巨大壓力等環境中輸出高功率電力。熱電池實際上是一次性電源，優先考量絕對可靠性，而非可充電性；因此在不容許故障的關鍵任務系統中不可或缺。
然而，高溫熔融鹽環境也帶來獨特的化學挑戰。傳統熱電池正極材料在運作期間會溶解並在電解質中遷移。活性材料微粒實際上會偏離原本的位置，降低可用容量，並引發不必要的副反應，耗損性能。這種稱為穿梭效應的現象會造成活性材料流失與長期結構損傷，過去一直限制熱電池的能量密度與使用壽命。在此之前，工程師始終難以在避免溶解的同時，維持電池運作所需的離子導電性。
穿梭效應：分子遷移問題
要了解中國這項突破的重要性，必須先理解過渡金屬氟化物正極中造成穿梭效應的特定化學反應。電池運作期間，CoF2會與電解質中的氯化鋰（LiCl）進行陰離子交換，形成四氯合鈷複合物（CoCl4 2-）。這些複合物是造成活性材料遷移、進而使電池性能劣化的主因。這些溶解的複合物就像從施工現場漂走的磚塊，在電解質中遷移，導致不可逆的容量損失，並使充電效率隨時間降低。
先前為解決此問題所做的嘗試，包括加入不同類型的硫電極，或在電池結構中設置各種屏障。部分方法雖能在一定程度上抑制溶解，卻都無法兼顧高性能與長期穩定性。關鍵在於打造具有選擇性通透性的屏障：既要阻擋較大的CoCl4 2-複合物，又要讓較小的Li+離子能在電極之間自由移動。傳統的固體屏障不是阻擋所有物質、實際上讓電池停止運作，就是孔隙太大，無法阻止穿梭效應。
研究團隊認為，解開這道難題需要在奈米尺度上精確控制。鋰離子與有害鈷複合物之間的尺寸差異，提供了選擇性阻隔的可能途徑，但要製造出孔徑足夠均勻、能利用這項尺寸差異的材料，仍然困難。解方來自一種出乎意料的材料類別：共價有機框架。這類晶態多孔材料具有明確結構，可透過工程設計達到次奈米級精度。
COF殼層解方：原子尺度的精密工程
這項突破的核心，是利用COF衍生的碳材料，在CoF2微粒外形成特殊殼層。共價有機框架是具多孔性的晶態物質，結構高度有序且孔徑均勻。研究人員透過受控熱處理，將COF前驅物轉化為碳質塗層，製成具有均勻次奈米通道的殼層，通道直徑僅0.54奈米。這個尺寸是關鍵：足以阻擋較大的CoCl4 2-複合物，同時又能讓Li+離子快速通過。
形成的結構類似梅花布丁，活性CoF2微粒被包覆在多孔碳殼內。研究人員將此稱為「尺寸篩分限域機制」。熱力學分析與實驗驗證證實，這些量身設計的通道能有效阻止有問題的鈷複合物擴散，同時讓鋰離子通過，因此在不損害離子導電性的情況下抑制穿梭效應。
我們的研究結果為透過精確的界面工程設計新一代高能量密度熱電池，奠定了機理基礎。
該研究通訊作者王松教授強調，這種方法帶來的不只是漸進式改良。CoF2@CSC700-24正極（CSC指的是在攝氏700度處理24小時、由COF衍生的殼層碳）取得的實驗結果，為該領域立下新標竿。在攝氏500度、電流密度為每平方公分100毫安培的條件下，該正極的放電平台電壓維持在2.5伏特以上，比容量達每公克365毫安培小時，比能量密度則達每公斤882瓦時。與現有熱電池技術相比，這些數據代表重大躍進。
對航太、國防及其他領域的影響
這種正極設計帶來的性能提升，可能讓熱電池的應用從傳統的一次性軍事與航太系統進一步擴展。目前熱電池基本上是針對特定任務啟動一次的拋棄式電源。抑制穿梭效應顯示，熱電池有望延長使用壽命並提升可靠性，甚至可能促成可重複使用的熱電池系統，或需要在極端環境中持續供電的應用。
軍事應用仍是近期的主要市場，因為熱電池已是導引飛彈、魚雷與戰鬥機緊急系統的首選電源。提高能量密度可延長任務時間，或在輸出相同電力的情況下降低電池重量；在航太工程中，每一公克重量都會影響航程與機動性，這些都是關鍵因素。深井鑽探作業的設備必須在地表下數英里的高溫高壓環境中運作，也將立即受惠於更耐用的熱電池。
展望更長遠的未來，若能解決穿梭效應，理論上可讓熱電池用於極端氣候下的電網級儲能、工業設施緊急電力系統，或在傳統鋰離子電池難以運作的北極或沙漠環境中，應用於特定電動車。熱電池的運作溫度很高，可能永遠不會用來為消費型智慧型手機供電，但在嚴苛條件下需要瞬間輸出高功率的下一代能源系統中，這項技術仍可能扮演一席之地。
中國全面布局的電池研究生態系
這項熱電池突破，出現在中國各研究機構密集投入電池研究的大環境之中。多項平行研究正探索傳統鋰離子技術以外的發展路徑，顯示中國正透過多元創新，積極布局下一代儲能市場。
近幾個月來，固態電池領域傳出多項重大進展，其中包括中國科學院研究人員研發的自修復界面，可免除維持電池各層接觸所需的高外部壓力。這項技術利用碘離子遷移形成自適應界面層，有望讓固態電池的能量密度超過每公斤500瓦時。另一方面，天津大學研發的鋰金屬電池能量密度是目前特斯拉電池組的兩倍；上海交通大學則公布無負極鈉硫電池，在預估每度電僅5.03美元的成本下，達到每公斤1,198瓦時的能量密度。
其他研究方向包括以石墨烯為基礎、號稱可在五分鐘內充電且壽命是鋰離子電池四倍的電池，以及採用硬碳負極、充電速度勝過傳統鋰電池的鈉離子電池。中國政府透過大規模資助計畫支持相關研究，包括2024年啟動、總額60億元人民幣的固態電池研發專案，以及由工業和資訊化部進行的中期審查。
這種多管齊下的布局，反映出各界已意識到，沒有任何一種電池化學體系能滿足所有應用需求。熱電池適用於極端環境，固態電池有望讓電動車更安全，鈉離子電池可用於低成本電網儲能，鋰金屬電池則持續突破能量密度極限。中國研究機構同步推進這些技術，有助於在未來數十年由各種電池技術主導的市場中提供所需產品。
從實驗室邁向實際應用
儘管研究結果令人振奮，這項熱電池技術要廣泛部署，仍有幾項挑戰待克服。研究已在實驗室規模證明概念可行，但要擴大生產COF衍生碳殼，同時維持通道精確且均勻的0.54奈米尺寸，仍面臨製造上的難題。熱電池本身使用熔融鹽電解質，且運作溫度高，需要特殊處理，因此只適用於其複雜性符合實際需求的領域。
穿梭效應受到抑制後，長期循環穩定性雖有所提升，仍需進一步驗證。目前研究已證明此機制有效，但航太與國防用途的熱電池通常必須證明能承受數千次可能的啟動循環，並在長年儲存後仍能可靠運作。還需進一步測試，確認COF殼層在反覆熱循環與長時間高溫運作下，能否維持結構完整性與選擇性通透性。
熔融鹽電解質的腐蝕性，也為電池外殼與密封件帶來材料相容性挑戰。雖然這項正極突破解決了一條主要的劣化途徑，但完整電池系統仍須將這項進展與同樣穩健的負極及電解質管理技術整合。研究團隊接下來可能會著重於以新正極設計為核心，最佳化完整電池結構。
重點整理
- 中國研究人員以共價有機框架（COF）衍生的碳殼解決熱電池的「穿梭效應」；殼層中的次奈米通道能阻擋有害鈷複合物，同時讓鋰離子通過。
- 新型正極創下性能紀錄：在攝氏500度時，放電電壓達2.5V、容量為365 mAh/g、能量密度為882 Wh/kg，是目前高電壓熱電池正極已報告的最高數值。
- 熱電池使用熔融鹽電解質，在攝氏350至550度下運作，是傳統電池無法勝任的軍事、航太與深井鑽探應用不可或缺的電源。
- 這項突破可能讓熱電池從一次性軍用裝備，拓展至適用於極端環境、使用壽命更長的儲能系統。
- 這項研究是中國整體電池創新策略的一環；其他平行進展還包括固態、鋰金屬、鈉離子與石墨烯電池技術。
