學術界與工業界電池性能評價標準探討

電動車（EV）和其他可再生能源發電技術使用的發展勢頭為新能源行業帶來了巨大的機遇和挑戰特別是可充電電池。電動車要與化石燃料汽車競爭，它們非得在一次充電時供應約800公里的行駛里程。然而，目前LIB僅具有~250Wh/kg的重量能量密度，關于裝有重達900公斤的電池包的電動車來說相當于440公里。引入更多的電池肯定可以延長行駛距離;然而，總重量和相關成本是卻難以承受。因此各國紛紛提出鼓勵開發高能量密度電池以滿足將來需求的計劃。

關于鋰電池來說其能量密度（E）由所用氧化還原電對之間的電化學電壓（V）和電極中電活性材料的比電容（C）確定：

Cc/Ca是正極/負極的比容量，Vc/Va是正極/負極的電化學電位

圖1.基于不同正極和負極材料的LIB的比能量密度

LIB的能量密度可以通過新增工作電壓或電荷存儲容量或質量負載或任何組合來新增。因此各種各樣的電池出現，盡管這些電池在新增LIB的能量密度方面取得了成功，但研究團體越來越擔心學術研究中報告的特殊性能越來越難以實際使用。因為一個性能指標的優化通常以其他參數的損失為代價，并且評估本身傾向于基于對實際使用沒有意義的試驗條件。

近日，武漢大學艾新平和浙江大學梁成都教授研究了學術界和工業界的試驗環境的差異，強調雖然學術和工業研究有不同的用途，但為了更好地對電池材料和器件進行全面評估，應當在評估性能指標時進行調和。

1.電池的各項性能指標的緊要性

圖2.從紐扣電池到電池包的LIB中電極的各種性能指標

電池性能評估要測量和量化一系列性能指標，包括比容量，電壓窗口，質量負載，循環性，庫侖效率，電解質消耗，重量性能，體積性能和可擴展性。基于有限數量的指標報告性能并不能真切地反映實際使用所需的性能。

比容量

比容量是電活性材料以單位質量存儲的電荷量的指標。一個緊要的規矩是，在計算特定容量的值時，非得考慮電極中的氧化還原活性和非活性材料。通常，其測量通過在給定電位窗口和特定溫度下的恒電流充電/放電來完成。因此，制備和測量條件都影響比容量。

電壓窗口

電壓窗口描述了從充電上限到放電下限的電位范圍。沒有標準程序可用于確定其價值。鑒于具有高壓平臺的正極和具有低壓平臺的負極是優選的組合，提議正極的放電下限為~1.5-2.0V，而在負極中充電上限應低于1.5V。同時，電解質的電壓窗非得是電化學穩定的。

質量負載

質量負載由單位面積中集流體上的電極漿料的重量限定。在試驗室電池中，電極通常涂有低質量負載（低于2mgcm-2）。這種薄電極層（<20μm）減少了電通路并有利于電解質滲透，確保可忽略不計的極化極化以進行最大性能研究。隨著面負荷新增，電極膜變厚。在涂覆和干燥之后，厚電極傾向于破碎和分層，使得高負載電極更難以加工。在當前的LIBS，電極具有~5-10mgcm-2，準許的真切容量約為3-4mAhcm-2。關于500Wh/kg的下一代LIB，面積容量應新增到~6-7mAhcm-2。這種高面積容量只能通過組合高容量材料和高質量負載來處理。因此，電極中的高質量負載應當是高能量密度LIB的焦點。

結構穩定性

可循環性是電極材料在循環期間可以維持其初始容量的次數的量度。恒電流充電/放電是評估循環穩定性的標準辦法。優異的可循環性要求（i）電極材料穩定性足以應對電化學應變和體積變化，和（ii）電解質和電極之間的穩定界面，在每個循環中實現可逆的離子轉移而沒有鋰損失。前者涉及活性材料的性質，而后者涉及庫侖效率（CE）

圖3.庫侖效率（CE）對理論全電池容量保持的影響

庫侖效率

理想的CE為100％，聲明離開陰極處于完全充電狀態的所有鋰離子可以在完全放電狀態下返回陰極。然而，一些鋰在每個循環中被消耗，由于副反應而被困在固體電解質界面（SEI）的形成中。因此，CE關于每個循環小于100％。通常，容量保持率為80％是EV行業的能量存儲裝置的壽命的標準。因此，為了商業化，循環穩定性高達500次循環要99.96％的CE。

重量能量密度

重量能量密度反映了在單位質量的材料/裝置中可以存儲多少電荷。學術研究傾向于在電池中使用大量過量的電極和電解質。結果，所獲得的性能不一定代表實際情況。在工業中，非得考慮所有參數，包括質量比，陽極和陰極負載以及電解質的量。

體積能量密度

體積能量密度以單位體積計量能量密度并且更難以計算，因為電極密度由氧化還原活性和非活性材料共同決定。為了新增體積能量密度，非得使非活性材料的量最小化，以便準許將更多的電活性材料結合到固定的電極體積中。特別是，電解質的量應當降低到不損害電極中電化學性能的水平。倘若使用可靠的電極參數和性能計算LIB電極的體積能量密度，通常可以將該值除以4-5倍，以推斷預期的LIB體積性能。

2.試驗室電池研究條件的不足

學術研究中的性能指標是高度理想化的環境中達到的。然而實際可行的LIB應當尋求理解上述多個指標之間存在的權衡。在文中作者以鋰硫電池為例，闡述了要怎么樣試驗中標準與實際使用的標準的差異性。

圖4.硫沉積和由此導致的阻塞導致高負載硫正極的失效

高質量負載的極化

以Li-S電池為例，依然要克服許多挑戰，已經做出巨大努力來確定處理這些問題的戰略和辦法。關于能量密度>500Wh/kg的實用Li-S電池，硫的質量負荷要達到~7-8mgcm-2甚至更高，如此高的質量負載會導致電極的嚴重極化，多硫化物優選在電極表面上還原為硫，內部多孔結構的不平均沉積和阻塞，可能導致硫正極的電化學失活。由于硫正極低質量負載受到控制，因此在試驗室研究中很少發生這種復雜的過程。

循環期間庫侖效率不足

雖然許多保持材料和電極完整性的辦法有效地改善了硫化物正極的循環壽命，但CE仍遠未達到實際使用要求。使用鋰金屬負極的半電池配置掩蓋了導致較差循環性能的低CE。在半電池中金屬鋰負極可以不斷抵消鋰的消耗，而且電池中過量的電解液還不必考慮電解液的分析影響。高CE>99.9％還沒有引起文獻的關注。這些輔助數據依然不能筆直使用于工業技術。

過度簡化的能量密度

大量努力聚集于提高重量比容量和倍率性能。一種有效的策略是多孔材料/電極結構的設計和合成。這種多孔結構不僅供應高比表面積的偽容量，而且有利于鋰離子通過電解質滲透的快速擴散。但在實際使用中，具有分層結構的電活性材料具有低振實密度，使得它們不太可能滿足體積能量密度要求。

電極制造的不同

試驗室和商用電極在電活性和非活性材料之間的組分比方面分明不同。在試驗室中，特殊電極容量的報告通常很大程度上取決于大量的導電添加劑，粘合劑和電解質。在Li-S電池的研究中，緊要考慮了高硫含量（＞90％）、低電解質／硫比和有限鋰過量（50～100％）等關鍵參數。機械性能、電化學性能和能量密度的進一步發展要求在這方面進行一系列的優化和平衡。

除了這些指標外，其他性能指標，如熱穩定性，規模成本，電解質消耗以及材料可回收性都對工業或實際的工業或實際使用出現挑戰。因此，實際使用可獲得的電活性材料非得經過多目標優化。針對實際LIB的面向處理辦法的研究應當使用工業參數并從最早階段開始。

將來電池的成功將嚴重依靠于高容量電活性材料的開發進展，以實現幾乎可行的性能指標。學術界和工業界之間的差距對這些材料和相關電池化學的實際使用提出了挑戰，甚至導致了最初被認為是有前途的技術的失敗和放棄。彌合這一差距要學術研究轉向提高工業要求下的性能。作者認為要做到以下幾點：

1、基礎科學可以通過在電化學循環期間檢測反應的原位技術揭示高容量電活性材料的潛在化學和結構機制來幫助。

2、應建立學術界和工業界之間的標準協議。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除