低温锂电解液的电导率：Hubble 2022 精读笔记 01

电导率衡量电解液传输电荷的能力。本文围绕 Hubble 等人的低温锂离子电池电解液综述，解释锂盐解离、EC/EMC 配方和黏度怎样影响电导率，并讨论这一体相性质为什么不能单独预测完整电池的低温性能。

阅读基础　离子与电子、氧化还原反应、欧姆定律，以及扩散的基本概念。

精读来源与图像说明

精读来源　Hubble, D. et al. Liquid electrolyte development for low-temperature lithium-ion batteries. Energy & Environmental Science, 2022, 15, 550–578。DOI：10.1039/D1EE01789F。

原文位置　第 552 页，Challenges in low-temperature LIB performance → Bulk electrolyte considerations → Conductivity；延伸图为第 553 页 Fig. 2。

图 1–5 和标注为教学假设的数值用于帮助理解，不属于论文的原始实验数据。图 6 保留原综述与其引用研究的来源说明。

作者在这一节的核心判断是：低温下电解液电导率通常下降，但体相欧姆电阻往往并非总电池阻抗中最大的部分。因此，不能单凭电导率预测实际低温性能。 [1]

2 基本概念：电解液究竟怎样导电？

2.1 放电时，电子和离子分别在哪里运动？

以石墨负极、含锂过渡金属氧化物正极的锂离子电池为例，放电时 Li⁺ 从负极向正极输运，电子则通过外电路流向正极。电解液承担的是离子电流，外电路主要承担电子电流。

常用锂盐 LiPF₆ 溶解后，最简单的示意为：

\[\ce{LiPF6 <=> Li+ + PF6-}\]

必须注意：这是理想化表示。实际碳酸酯电解液中可能同时存在自由溶剂化离子、离子对及更复杂的聚集体，不能认为所有 LiPF₆ 始终完全独立解离。

为什么负离子朝相反方向移动，也能贡献电流？

常规电流方向按正电荷的移动方向定义。负电荷沿左边移动，从电流方向看相当于正电荷向右移动。因此，在同一电场驱动下，正负离子的迁移都参与电解液的传导。

对于一价正、负离子组成的电解质，在简单的一维模型中，电流密度可写为：

\[\begin{equation} i=F\left(N_+-N_-\right) \label{eq:ionic-current} \end{equation}\]

其中，\(i\) 是电流密度，\(F\) 是法拉第常数，\(N_+\) 与 \(N_-\) 是沿同一个坐标正方向定义的正、负离子摩尔通量，即单位时间通过单位面积的物质的量。若取 Li⁺ 迁移方向为正，Li⁺ 的通量为正，而沿相反方向迁移的 PF₆⁻ 通量为负；式 \(\eqref{eq:ionic-current}\) 中减去负值，便得到同方向的常规电流贡献。不能把两个带符号通量直接当作同向相加。

这建立了一个非常重要的区别：

• 电导率衡量整个电解液传输电荷的能力。
• Li⁺ 扩散系数衡量 Li⁺ 因随机热运动而扩散的能力。
• Li⁺ 迁移数衡量在特定条件和参考系下，Li⁺ 承担的离子迁移电流份额。

上述三个量相互关联，但不能混为一谈。迁移数需要结合测量条件和参考系另行讨论。

2.2 什么是电导率（Ionic Conductivity）？

电导率通常用 \(\kappa\) 表示，国际单位为 \(\mathrm{S\,m^{-1}}\)，在电解液研究中常用 \(\mathrm{mS\,cm^{-1}}\)。

在简单的均匀导电层中：

\[\begin{equation} R_{\mathrm{bulk}}=\frac{L}{\kappa A} \label{eq:bulk} \end{equation}\]

式 \(\eqref{eq:bulk}\) 中：

表 1　电导率与欧姆电阻关系中的符号。

由欧姆定律可得：

\[\begin{equation} \Delta V_{\mathrm{ohmic}}=IR_{\mathrm{bulk}} \label{eq:ohmic} \end{equation}\]

这里 \(I\) 为电流，\(\Delta V_{\mathrm{ohmic}}\) 为欧姆电压损失。相同电流下，体相电阻增加会带来更大的欧姆电压损失，可能让放电端电压更早碰到截止电压，造成可用容量下降。

重要限制：真实多孔电极内部的电解液并非简单平板形状，孔隙率、曲折度、局部浓度和温度也会影响有效传输。因此，\(L/(\kappa A)\) 适用于理解最基本的几何关系，不能直接代表整个电池的总阻抗。

2.3 离子浓度与离子运动能力

可以把导电想成运输货物：运输能力与运输车辆数量、每辆车行驶速度都有关。电解液中的对应因素是：

1. 有效参与电荷传输的离子数量：如果自由离子更多，通常有利于导电。
2. 离子迁移能力：即离子在外电场作用下产生平均定向运动的能力。
3. 离子间相关运动：高浓度电解液中离子并不总是独立运动，离子对及聚集体会改变实际电流。

所以，锂盐加得多不一定总能提高电导率。锂盐浓度升高可以增加载流离子，同时也可能提高黏度、改变解离情况和离子相关运动。

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3 为什么 Hubble 重点讨论 EC？

3.1 EC 是什么？

EC（Ethylene Carbonate，碳酸乙烯酯）是常见环状碳酸酯溶剂。Hubble 指出，传统锂离子电池电解液常含 \(0.8\)–\(1.5\ \mathrm{M}\) 的 LiPF₆，并混合使用 EC 与链状碳酸酯，例如：

• DMC（Dimethyl Carbonate，碳酸二甲酯）；
• DEC（Diethyl Carbonate，碳酸二乙酯）；
• EMC（Ethyl Methyl Carbonate，碳酸甲乙酯）。

EC 的两个重要优点是：它能够帮助锂盐解离，而且能够在石墨负极表面参与形成保护性 SEI。

3.2 介电常数为什么影响锂盐解离？

相对介电常数（Relative Dielectric Permittivity，\(\varepsilon_r\)）描述介质对电场的响应。对于简单点电荷模型，两个电荷相距 \(r\) 时，其静电作用力大小可以表示为：

\[\begin{equation} |F_e|=\frac{|q_1q_2|}{4\pi\varepsilon_0\varepsilon_r r^2} \label{eq:dielectric} \end{equation}\]

其中 \(q_1,q_2\) 为电荷量，\(\varepsilon_0\) 为真空介电常数，\(\varepsilon_r\) 为相对介电常数。

在其他条件不变的简化模型中，\(\varepsilon_r\) 越大，正负离子之间的静电吸引通常越弱。Hubble 引用 Payne 与 Theodorou 的物性研究指出，EC 在 \(40\ ^\circ\mathrm C\) 时的介电常数约为 90。[1]、[4]

因此，EC 的高介电常数有利于 LiPF₆ 的解离，使电解液中出现可移动离子。

不过，高介电常数并不能单独预测实际电导率。实际离子解离还与盐、混合溶剂组成、温度、浓度和离子缔合有关。

3.3 Li⁺ 的溶剂化是什么？

溶剂化（Solvation）指溶剂分子围绕离子排列、通过配位和静电等相互作用稳定离子的过程。

在 EC/EMC 混合电解液中，EC 或 EMC 的羰基氧都可能与 Li⁺ 发生配位作用，形成溶剂化壳层（Solvation Shell），也就是围绕 Li⁺ 的配位溶剂分子区域。

羰基氧附近具有较高的电子密度，有利于与带正电的 Li⁺ 相互作用。与 Li⁺ 直接配位的那一层分子称为第一溶剂化壳层（First Solvation Shell）。其中有多少个 EC、EMC 分子，需要结合配方、盐浓度和温度判断。

你可以想象 Li⁺ 行走时携带着周围的“随行分子”。这一比喻有助于理解运动阻力，但现实中溶剂化分子会不断交换，不能把整个壳层当成永久不变的刚性球。

应当区分：

表 2　介电性质与局部溶剂化结构的区别。

二者有联系，却不能简单等同。例如，不能仅因为 EC 的介电常数较高，就精确断言某个 EC–Li⁺ 配位结构的结合能。具体的溶剂化结构和相互作用强度还需要实验或计算研究。

3.4 EC 为什么对石墨负极很重要？

SEI（Solid Electrolyte Interphase，固体电解质界面膜）是电解液组分在低电位负极表面发生还原反应后形成的界面层。适当的 SEI 能允许 Li⁺ 通过，并显著抑制电子持续进入电解液，使进一步的电解液分解受到限制。

EC 被传统石墨电池广泛使用，一个关键原因就是其还原分解有利于建立合适的 SEI。这是 Hubble 引用的 Xu（2004）综述重点讨论的内容。[1]、[3]

因此，降低 EC 含量虽然可能改善低温液相传输，却可能导致石墨负极界面稳定性变差。电导率和长期循环寿命未必同时得到改善。

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4 为什么增加 EC 含量，电导率不一定提高？

假设保持 LiPF₆ 浓度和温度不变，只改变 EC/EMC 的混合比例。

EC 增加可能同时引发两种相反的影响。

影响 A： 混合溶剂的介电性质变化，锂盐解离可能更充分，有效参与电流传输的离子数可能增加，对电导率有利。

影响 B： 混合溶剂黏度通常增加，Li⁺ 与 PF₆⁻ 的运动可能变慢，对电导率不利。

4.1 黏度是什么？为什么会变化？

黏度（Viscosity，\(\eta\)）描述流体抵抗相对流动的程度。日常生活中，蜂蜜比水难流动，可以作为直观类比。

EC 与链状碳酸酯的分子结构和分子间相互作用不同。EC 比例变化会改变混合物的相互作用与流动阻力，因此改变黏度。通常在这些常见配方中，EC 比例较高与更大的黏度有关。

不过，黏度与 EC 比例的关系需要限定温度、盐浓度和具体溶剂。不能从纯 EC 的单一物性直接精确计算混合液黏度。

4.2 Ding 等人（2001）怎样实验验证？

Hubble 在电导率小节引用的 文献 [18] 是：

Ding, M. S. et al. (2001), Change of Conductivity with Salt Content, Solvent Composition, and Temperature for Electrolytes of LiPF₆ in Ethylene Carbonate–Ethyl Methyl Carbonate, Journal of The Electrochemical Society, 148, A1196–A1204。[2]

他们研究了 LiPF₆/EC/EMC 电解液，系统改变：

表 3　Ding 等人研究涉及的配方与温度范围。

单位提醒：论文中的 \(\mathrm{mol\,kg^{-1}}\) 为质量摩尔浓度，和 \(\mathrm{M=mol\,L^{-1}}\) 不能直接混用，需要溶液密度及其定义条件才能换算。

实验给出两个重要现象。

现象一：锂盐增加时，电导率可能先升后降

在较低盐浓度区间，增加 LiPF₆ 通常意味着更多带电粒子参与传输，因此电导率可能上升。

再继续增加盐时，黏度升高、离子相关运动或离子缔合改变等不利因素可能增强，最终出现电导率最大值。

现象二：EC 含量也存在相互竞争的影响

Ding 等人在其研究范围内，报告了不同温度下电导率与盐浓度、EC 摩尔分数之间的复杂关系。

在 \(30\ ^\circ\mathrm C\)、研究范围内，最高电导率约为 \(10.5\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)，对应约 \(0.92\ \mathrm{mol\,kg^{-1}}\) 的盐浓度和 EC 摩尔分数 \(0.54\)。这里的 \(0.54\) 位于实验 EC 比例范围的边界，不能据此声称它是所有可能配方的全局最佳 EC 含量。

当温度降低时，在 Ding 等人所研究的范围内，高电导率所对应的盐浓度与 EC 比例通常也向较低方向变化。这说明室温下的最佳配方不能直接认定为低温最佳配方。[2]

优化对象的限制：这项研究主要比较电解液电导率，不能据此直接确定哪种配方具有最佳低温放电容量或循环寿命。

学习这一节最应记住的结果：高介电常数有利于锂盐解离，低黏度有利于离子运动。两种作用可能互相竞争，因此 EC 含量需要结合实际电导率实验判断。

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5 为什么降低温度会导致电导率下降？

Hubble 在原文中指出：对常见锂离子电池液态电解液，在相关工作温度范围内，电导率随温度降低而下降，作者主要用黏度效应解释这一趋势。[1]

要理解这句话，需要两个经典关系。

5.1 先区分扩散与迁移

扩散（Diffusion）：由热运动产生、在浓度差等条件下表现为净物质输运的过程。扩散系数 \(D\) 描述这一过程的快慢。

迁移（Migration）：离子在电场作用下产生的定向输运，其平均速度与离子迁移率有关。

在某些近似条件下，粒子的随机扩散能力与电场下的运动能力可以建立联系。

5.2 Stokes–Einstein 关系：黏度如何影响扩散？

斯托克斯–爱因斯坦关系（Stokes–Einstein Relation）在连续流体中的球形粒子等理想条件下写为：

\[\begin{equation} D=\frac{k_{\mathrm B}T}{6\pi\eta r_{\mathrm h}} \label{eq:stokes-einstein} \end{equation}\]

其中：

表 4　Stokes–Einstein 关系中的参数。

由式 \(\eqref{eq:stokes-einstein}\) 可见，若暂时假定 \(r_{\mathrm h}\) 不变，则 \(D\) 随 \(T\) 增大而增大，随 \(\eta\) 增大而降低。

降温常伴随黏度上升，因此溶剂化离子的扩散往往减慢。

这里的 \(r_{\mathrm h}\) 受到溶剂化结构与流动阻力的影响，不能直接用裸 Li⁺ 的离子半径替代。在其他条件相同时，有效运动尺寸增大也会使该近似模型中的扩散系数降低。

但真实 LiPF₆/EC/EMC 体系不满足所有理想条件。 溶剂化结构会变化；溶剂分子不断交换；离子不完全是刚性球；浓电解液中还存在较强的相关运动。该关系帮助判断物理趋势，不能无条件直接预测准确的 \(D\) 值。

5.3 Nernst–Einstein 关系：扩散能力与电导率

能斯特–爱因斯坦关系（Nernst–Einstein Relation）在离子运动相互独立的近似下，将各离子的扩散与电导率联系起来：

\[\begin{equation} \kappa_{\mathrm{NE}}=\frac{F^2}{RT}\sum_i z_i^2c_iD_i \label{eq:nernst-einstein} \end{equation}\]

其中：

表 5　Nernst–Einstein 关系中的符号。

对于一价正、负离子体系，\(z_+=+1\)、\(z_-=-1\)，因此电荷数平方均为 1。式 \(\eqref{eq:nernst-einstein}\) 变为：

\[\begin{equation} \kappa_{\mathrm{NE}}=\frac{F^2}{RT}\left(c_+D_++c_-D_-\right) \label{eq:binary-ion-contributions} \end{equation}\]

这里 \(c_+,c_-\) 分别为正、负离子的摩尔浓度，\(D_+,D_-\) 为相应扩散系数。若再对理想的 1:1 电解质 LiPF₆ 取正负离子浓度均为 \(c\)，式 \(\eqref{eq:binary-ion-contributions}\) 可进一步写为：

\[\begin{equation} \kappa_{\mathrm{NE}}=\frac{F^2c}{RT}(D_++D_-) \label{eq:binary-electrolyte} \end{equation}\]

因此，Li⁺ 和 PF₆⁻ 都对电导率作出贡献。它不是单纯由 Li⁺ 的扩散系数决定。

即使两种电解液具有相同的锂盐浓度，如果离子的扩散能力不同，电导率也可能不同。

5.4 两个关系式合起来告诉我们什么？

如果再采用有效粒子大小近似固定、离子之间近似独立等条件，将 Stokes–Einstein 关系代入 Nernst–Einstein 关系，则温度 \(T\) 的显式因子可以在代数上抵消，出现近似的关系：

\[\begin{equation} \kappa\propto\frac{c_{\mathrm{effective}}}{\eta} \label{eq:viscosity-scaling} \end{equation}\]

这里 \(c_{\mathrm{effective}}\) 仅用于概括有效参与传导的带电粒子浓度，并不是可以在浓电解液中随意精确定义和独立测量的通用常数。

该近似关系说明，黏度变大通常不利于导电。

同时，它也提醒我们：不能把电导率的全部温度依赖都归结于公式中一个简单的 \(1/T\) 或 \(T\) 项，因为真实温度变化还会改变黏度、溶剂化、盐缔合及其他传输参数。

5.5 为什么实际电导率会偏离 Nernst–Einstein 关系？

Nernst–Einstein 的简单形式默认各种离子扩散贡献可以独立相加。真实电解液中正负离子的运动可能发生相关，例如离子对一起运动，带电聚集体整体移动，甚至出现有方向关联的离子运动。

这会使根据单离子自扩散系数估算的电导率与实测值不同。关于相关运动对 Nernst–Einstein 估算的影响，可以参考 France-Lanord & Grossman（2019）的研究。[5]

理解这些局限后，再读 Hubble 的“降温 → 黏度增加 → 电导率下降”就会更加准确：这是获得实验支持的常见趋势和物理解释，不能直接用来排除所有其他机制。

还应区分观测与归因：单独测量电导率随温度的变化，不能确定黏度贡献占了多少比例。 要判断不同机制的贡献，还需要相应的物性或传输测量。

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6 为什么低温下想减少 EC，实际上却很困难？

Hubble 对 EC 的讨论涉及体相传输、溶剂化和电极界面，需要把这些作用一起考虑：

表 6　EC 在体相传输与界面稳定中的作用。

此外，EC 的高熔点还会带来需要单独考察的低温相变限制。

因此，减少 EC 可能改善低温液体传输，也可能使石墨表面的界面膜不够稳定，影响库伦效率（Coulombic Efficiency）和循环寿命。[1]、[3]

库伦效率通常写为：

\[\begin{equation} \mathrm{CE}=\frac{Q_{\mathrm{discharge}}}{Q_{\mathrm{charge}}}\times100\% \label{eq:coulombic-efficiency} \end{equation}\]

其中 \(Q_{\mathrm{charge}}\)、\(Q_{\mathrm{discharge}}\) 分别为同一个循环的充、放电电量（具体计算方向取决于研究对象及其测试约定）。持续的电解液副反应会消耗可循环锂与电解液，可能影响库伦效率。

这一点解释了为什么研究人员会考虑采用低 EC 溶剂配方，同时通过成膜添加剂、其他锂盐或溶剂帮助维持电极界面稳定性。成膜添加剂包括 FEC（氟代碳酸乙烯酯）和 VC（碳酸亚乙烯酯）；具体能否有效稳定界面，仍取决于配方与测试条件。

与下一节的联系：Hubble 紧接着提醒读者，低温减少 EC 的一个尤其重要的原因其实是其结晶倾向。EC 的纯物质熔点约 \(36\ ^\circ\mathrm C\)；加入其他溶剂可以降低混合物的液相线温度，但实际是否产生晶体还取决于混合配方。关于液相线与结晶行为，可继续阅读第二篇：液相线温度。

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7 为什么电导率高，低温电池性能仍可能很差？

这一点是 Hubble Conductivity 小节的落脚点。

7.1 从电解液到电极，Li⁺ 还要经过许多步骤

完整电池中，Li⁺ 从电解液到达电极活性材料，至少可能涉及：

1. 体相电解液传输：Li⁺ 在液体中迁移与扩散。
2. 界面去溶剂化（Desolvation）：接近电极表面时，配位溶剂分子部分脱离或重新排列。
3. 界面膜离子传输及电荷转移：Li⁺ 穿过 SEI 或 CEI，参与电化学反应。
4. 固相扩散：Li 进一步进入石墨等活性材料内部。

即使电解液体相具有很高的电导率，如果电极界面上的 Li⁺ 去溶剂化或电荷转移十分缓慢，低温放电容量仍可能明显下降。

7.2 用一个简化的电阻例子理解

7.3 有哪些原始实验支持界面过程的重要性？

Hubble 引用 Li 等（2017），文献 [15]，研究不同电解液组成与低温全电池性能的关系。该研究使用石墨负极和 NCA（镍钴铝酸锂）正极体系，报告通过调整溶剂组成提高低至 \(-40\ ^\circ\mathrm C\) 时的可用容量。[6]

研究中采用预先形成界面膜的电极重新组装电池，以减少不同成膜历史带来的影响，考察当前电解液组成的作用。在预成膜电极相同的情况下，不同电解液依旧能使 \(-20\ ^\circ\mathrm C\) 以下的放电容量表现出明显差异。

• 直接实验观察：不同电解液导致低温放电容量出现差别。
• 实验比较支持的结果：在预成膜电极相同的条件下，当前电解液组成仍然显著影响低温表现。
• 进一步的机理解释：溶剂化结构变化可能改变去溶剂化难度和电荷转移阻力，因此影响低温性能。

该结果支持界面过程的重要性，但不意味着所有电池都由同一个微观步骤限速。

7.4 电导率什么时候特别重要？

Hubble 在本节脚注中也指出一个例外：大尺寸电池以较高倍率放电时，如果 Li⁺ 的扩散能力较差，局部高浓度或低浓度区域可能积累并主导电池行为。[1]

因此，“电导率通常不能准确预测低温电池性能”也不是在说电导率不重要。它强调的是：材料配方设计需要同时考虑体相传输与界面传输，而且不同电池尺寸和工作电流会改变各限制因素的相对重要性。

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8 区分实验现象与机理解释

表 8　实验现象、机理解释与适用条件。

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9 回到 Hubble 第 552 页：按作者的行文顺序复述

你可以在阅读原文时逐句对应以下内容：

第一步：引入典型配方。 常见锂电池电解液含有约 \(0.8\)–\(1.5\ \mathrm M\) LiPF₆，溶剂中含 EC。EC 高介电常数有利于锂盐解离，更关键的是它能够参与石墨负极保护性 SEI 的形成。

第二步：说明配方矛盾。 EC 的熔点高，且与黏度相关。因此通常与约 50%–70% 的链状碳酸酯混合，以扩大使用温度范围并改善液体传输。作者介绍 LiPF₆/EC/EMC 的典型室温电导率约为 \(5\)–\(10\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)。

第三步：解释降温。 在相关工作范围内，降温通常使黏度变大、电导率下降、电池体相电阻增加。因此低温电解液配方常尝试减少 EC。

第四步：指出无法回避的问题。 EC 含量过低可能不利于稳定 SEI，影响循环稳定性和库伦效率。

第五步：给出本节最重要的限定。 体相欧姆电阻通常不是整个电池阻抗中最大的一部分，因而仅凭电导率不能准确预测电池低温性能。

阅读完整段落以后，应该能够回答：为什么一种电解液即使在 \(-20\ ^\circ\mathrm C\) 保持较高 \(\kappa\)，电池实际放电容量仍可能很低？

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10 检查理解

11 参考文献与进一步阅读

[1] Hubble, D. et al. (2022). Liquid electrolyte development for low-temperature lithium-ion batteries. Energy & Environmental Science, 15, 550–578. DOI：10.1039/D1EE01789F。本节主要依据：第 552 页 Conductivity；第 553 页 Fig. 2；第 573 页总结。

[2] Ding, M. S.; Xu, K.; Zhang, S. S.; Amine, K.; Henriksen, G. L.; Jow, T. R. (2001). Change of Conductivity with Salt Content, Solvent Composition, and Temperature for Electrolytes of LiPF₆ in Ethylene Carbonate–Ethyl Methyl Carbonate. Journal of The Electrochemical Society, 148, A1196–A1204. DOI：10.1149/1.1403730。用途：理解浓度、EC/EMC 比例、温度对电导率的共同影响。

[3] Xu, K. (2004). Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable Batteries. Chemical Reviews, 104, 4303–4417. DOI：10.1021/cr030203g。用途：理解 EC、锂盐解离、溶剂化与石墨负极 SEI。

[4] Payne, R.; Theodorou, I. E. (1972). Dielectric properties and relaxation in ethylene carbonate and propylene carbonate. The Journal of Physical Chemistry, 76(20), 2892–2900。DOI：10.1021/j100664a019。对应 Hubble 参考文献 [16]。用途：EC 等有机溶剂的介电性质。

[5] France-Lanord, A.; Grossman, J. C. (2019). Correlations from Ion Pairing and the Nernst–Einstein Equation. Physical Review Letters, 122, 136001. DOI：10.1103/PhysRevLett.122.136001。用途：理解离子相关运动为何会让简单的 Nernst–Einstein 估算偏离实测电导率。这是延伸阅读，并非 Hubble 本节直接引用的原始研究。

[6] Li, Q. et al. (2017). Li⁺-Desolvation Dictating Lithium-Ion Battery’s Low-Temperature Performances. ACS Applied Materials & Interfaces, 9, 42761–42768. DOI：10.1021/acsami.7b13887。对应 Hubble 参考文献 [15]。用途：理解溶剂化和界面去溶剂化为什么可能决定低温放电表现。可通过 PNNL 的论文摘要页核对电极体系与研究范围。