《International Journal of Hydrogen Energy》：Progress of low-temperature aqueous electrolytes: from antifreeze mechanism to application prospect
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低温水电解质抗冻策略及性能提升研究综述，系统分析了分子设计、仿生抗冻、纳米复合材料及混合电解质四类技术路径的机理与优势，揭示了氢键网络调控和离子传输抑制的共性难题，提出了未来需突破多尺度协同设计及界面动态平衡理论，为极寒环境储能器件开发提供理论支撑。
王正英|刘玉红|邱宝月|雷云石|张世新|陈浩|何颖|魏晓燕|魏鹏
中国湖北省武汉市湖北工业大学电气与电子工程学院高效利用太阳能与储能系统运行控制重点实验室，430068
摘要
随着全球对可持续能源需求的增加，水基储能设备因其高安全性、低成本和环保性而成为大规模储能研究的重点。然而，传统的水基电解质在低温下容易冻结，这会阻碍离子传输并加剧界面反应，限制了其在寒冷和极端环境中的应用。本文系统回顾了低温水基电解质的最新进展，并总结了低温电解质的挑战和基本理论。从四个角度讨论了每种策略的研究进展和性能：分子级设计、仿生防冻和界面调控、纳米复合与多相协同作用以及混合电解质与设备的集成。最后，展望了未来的研究方向和技术瓶颈，为下一代高性能低温水基储能设备的发展提供了理论指导和技术参考。
引言
在全球能源结构向可持续发展过渡的关键阶段，储能技术已成为平衡新能源波动性和电网稳定性的核心支撑。由于水基储能设备具有高安全性、低成本和环境兼容性的固有优势，特别是在“双碳”目标的推动下，其在大规模储能领域的应用潜力不可替代，其技术突破对新电力系统的建设具有战略意义[[1], [2], [3], [4]]。然而，低温环境下的技术瓶颈日益突出。传统的水基电解质在寒冷条件下容易发生冻结相变，导致离子传输通道堵塞和电极-电解质界面化学反应动力学显著减弱，严重限制了设备在高纬度和极端气候条件下的可靠运行。
开发具有宽温度适应性和高电化学性能的低温水基电解质不仅是突破应用场景限制的工程需求，也是深化溶剂化理论和界面调控机制理解的科学命题[[5], [6], [7], [8]]。如图1所示，本文基于最新的研究进展，系统分析了低温水基电解质面临的多维挑战，并阐述了分子溶剂化、氢键网络调控等基本理论，讨论了分子设计、仿生优化、纳米复合和混合集成四种技术路径的创新突破和性能特点，并展望了未来需要克服的核心瓶颈和发展方向。
部分内容摘要
低温水基电解质的关键挑战
低温环境给传统水基电解质带来了许多严峻的挑战。氢键网络和冻结行为是低温水基电解质面临的主要问题。水分子通过强氢键形成高度有序的四面体网络结构，当温度降至冰点时，这种结构会迅速膨胀，导致整个电解质固化。研究表明，即使在传统的水基电解质中
水基电解质中的氢键相互作用和液固转变
水分子通过氢键形成三维四面体网络，赋予水独特的物理化学性质。在低温下，水分子的热运动减弱，氢键相互作用增强，促进了水分子的有序排列，逐渐形成冰晶结构，从而使电解质从液态转变为固态。这种氢键网络的稳定性和动态变化
阴离子效应对溶剂化结构的调控
南开大学陈团队的研究通过耦合非聚集的Cl?阴离子，成功地在电解质中构建了高度分散的溶剂化结构[17]。在传统的水基电解质中，水簇的存在不利于低温性能，而该团队的创新策略有效减小了水簇的大小，大大抑制了水的固化，提高了水基电解质的性能
不同策略的比较分析
图6对比总结了四种低温水基电解质的防冻策略，明确展示了每种策略的核心特点、技术重点和应用温度范围。左侧面板列出了每种策略的关键机制、优势和局限性，右侧条形图量化了每种方法的应用温度范围，x轴代表四种策略（1 - 分子级设计，2 - 仿生
CRediT作者贡献声明
王正英：概念构思。刘玉红：撰写——初稿。邱宝月：撰写——初稿。雷云石：实验研究。张世新：实验研究。陈浩：验证。何颖：验证。魏晓燕：数据可视化。魏鹏：数据可视化、验证。
利益冲突声明
作者声明本研究在没有任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行。
致谢
感谢湖北省高效利用太阳能与储能系统运行控制重点实验室和湖北工业大学对本工作的支持。本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62405087）、湖北省自然科学基金（项目编号：2024AFB173）以及湖北工业大学的博士研究启动基金（项目编号：XJ2023002501、XJ2023009601）的财政支持
