探讨学术界与工业界电池性能评价

电动汽车（EV）和其他可再生能源发电技术应用的发展势头为新能源行业带来了巨大的机遇和挑战特别是可充电电池。电动汽车要与化石燃料汽车竞争，它们必须在一次充电时提供约800公里的行驶里程。然而，目前LIB仅具有~250Wh/kg的重量能量密度，对于装有重达900公斤的电池组的电动车来说相当于440公里。引入更多的电池肯定可以延长行驶距离;然而，总重量和相关成本是却难以承受。因此各国纷纷提出鼓励开发高能量密度电池以满足未来需求的计划。

对于锂离子电池来说其能量密度（E）由所用氧化还原电对之间的电化学电压（V）和电极中电活性材料的比电容（C）确定：

Cc/Ca是正极/负极的比容量，Vc/Va是正极/负极的电化学电位

图1.基于不同正极和负极材料的LIB的比能量密度

LIB的能量密度可以通过增加工作电压或电荷存储容量或质量负载或任何组合来增加。因此各种各样的电池出现，尽管这些电池在增加LIB的能量密度方面取得了成功，但研究团体越来越担心学术研究中报告的特殊性能越来越难以实际应用。因为一个性能指标的优化通常以其他参数的损失为代价，并且评估本身倾向于基于对实际使用没有意义的实验条件。

近日，武汉大学艾新平和浙江大学梁成都教授研究了学术界和工业界的实验环境的差异，强调虽然学术和工业研究有不同的用途，但为了更好地对电池材料和器件进行全面评估，应该在评估性能指标时进行调和。

1.电池的各项性能指标的重要性

图2.从纽扣电池到电池组的LIB中电极的各种性能指标

电池性能评估需要测量和量化一系列性能指标，包括比容量，电压窗口，质量负载，循环性，库仑效率，电解质消耗，重量性能，体积性能和可扩展性。基于有限数量的指标报告性能并不能真实地反映实际使用所需的性能。

比容量

比容量是电活性材料以单位质量存储的电荷量的指标。一个重要的规则是，在计算特定容量的值时，必须考虑电极中的氧化还原活性和非活性材料。通常，其测量通过在给定电位窗口和特定温度下的恒电流充电/放电来完成。因此，制备和测量条件都影响比容量。

电压窗口

电压窗口描述了从充电上限到放电下限的电位范围。没有标准程序可用于确定其价值。鉴于具有高压平台的正极和具有低压平台的负极是优选的组合，建议正极的放电下限为~1.5-2.0V，而在负极中充电上限应低于1.5V。同时，电解质的电压窗必须是电化学稳定的。

质量负载

质量负载由单位面积中集流体上的电极浆料的重量限定。在实验室电池中，电极通常涂有低质量负载（低于2mgcm-2）。这种薄电极层（<20μm）减少了电通路并有利于电解质渗透，确保可忽略不计的极化极化以进行最大性能研究。随着面负荷增加，电极膜变厚。在涂覆和干燥之后，厚电极倾向于破裂和分层，使得高负载电极更难以生产。在当前的LIBS，电极具有~5-10mgcm-2，允许的真实容量约为3-4mAhcm-2。对于500Wh/kg的下一代LIB，面积容量应增加到~6-7mAhcm-2。这种高面积容量只能通过组合高容量材料和高质量负载来解决。因此，电极中的高质量负载应该是高能量密度LIB的焦点。

结构稳定性

可循环性是电极材料在循环期间可以维持其初始容量的次数的量度。恒电流充电/放电是评估循环稳定性的标准方法。优异的可循环性要求（i）电极材料稳定性足以应对电化学应变和体积变化，和（ii）电解质和电极之间的稳定界面，在每个循环中实现可逆的离子转移而没有锂损失。前者涉及活性材料的性质，而后者涉及库仑效率（CE）

图3.库仑效率（CE）对理论全电池容量保持的影响

库仑效率

理想的CE为100％，表明离开阴极处于完全充电状态的所有锂离子可以在完全放电状态下返回阴极。然而，一些锂在每个循环中被消耗，由于副反应而被困在固体电解质界面（SEI）的形成中。因此，CE对于每个循环小于100％。通常，容量保持率为80％是EV行业的能量存储装置的寿命的标准。因此，为了商业化，循环稳定性高达500次循环需要99.96％的CE。

重量能量密度

重量能量密度反映了在单位质量的材料/装置中可以存储多少电荷。学术研究倾向于在电池中使用大量过量的电极和电解质。结果，所获得的性能不一定代表现实情况。在工业中，必须考虑所有参数，包括质量比，阳极和阴极负载以及电解质的量。

体积能量密度

体积能量密度以单位体积计量能量密度并且更难以计算，因为电极密度由氧化还原活性和非活性材料共同决定。为了增加体积能量密度，必须使非活性材料的量最小化，以便允许将更多的电活性材料结合到固定的电极体积中。特别是，电解质的量应该降低到不损害电极中电化学性能的水平。如果使用可靠的电极参数和性能计算LIB电极的体积能量密度，通常可以将该值除以4-5倍，以推断预期的LIB体积性能。

2.实验室电池研究条件的不足

学术研究中的性能指标是高度理想化的环境中达到的。然而实际可行的LIB应该寻求理解上述多个指标之间存在的权衡。在文中作者以锂硫电池为例，阐述了如何实验中标准与实际应用的标准的差异性。

图4.硫沉积和由此导致的阻塞导致高负载硫正极的失效

高质量负载的极化

以Li-S电池为例，仍然需要克服许多挑战，已经做出巨大努力来确定解决这些问题的战略和方法。对于能量密度>500Wh/kg的实用Li-S电池，硫的质量负荷需要达到~7-8mgcm-2甚至更高，如此高的质量负载会导致电极的严重极化，多硫化物优选在电极表面上还原为硫，内部多孔结构的不均匀沉积和阻塞，可能导致硫正极的电化学失活。由于硫正极低质量负载受到控制，因此在实验室研究中很少发生这种复杂的过程。

循环期间库仑效率不足

虽然许多保持材料和电极完整性的方法有效地改善了硫化物正极的循环寿命，但CE仍远未达到实际应用要求。使用锂金属负极的半电池配置掩盖了导致较差循环性能的低CE。在半电池中金属锂负极可以不断抵消锂的消耗，而且电池中过量的电解液还不必考虑电解液的分解影响。高CE>99.9％还没有引起文献的关注。这些辅助数据仍然不能直接应用于工业技术。

过度简化的能量密度

大量努力集中于提高重量比容量和倍率性能。一种有效的策略是多孔材料/电极结构的设计和合成。这种多孔结构不仅提供高比表面积的伪容量，而且有利于锂离子通过电解质渗透的快速扩散。但在实际应用中，具有分层结构的电活性材料具有低振实密度，使得它们不太可能满足体积能量密度要求。

电极制造的不同

实验室和商用电极在电活性和非活性材料之间的组分比方面明显不同。在实验室中，特殊电极容量的报告通常很大程度上取决于大量的导电添加剂，粘合剂和电解质。在Li-S电池的研究中，主要考虑了高硫含量（＞90％）、低电解质／硫比和有限锂过量（50～100％）等关键参数。机械性能、电化学性能和能量密度的进一步发展要求在这方面进行一系列的优化和平衡。

除了这些指标外，其他性能指标，如热稳定性，规模成本，电解质消耗以及材料可回收性都对工业或实际的工业或实际应用产生挑战。因此，实际应用可获得的电活性材料必须经过多目标优化。针对实际LIB的面向解决方案的研究应该使用工业参数并从最早阶段开始。

未来电池的成功将严重依赖于高容量电活性材料的开发进展，以实现几乎可行的性能指标。学术界和工业界之间的差距对这些材料和相关电池化学的实际使用提出了挑战，甚至导致了最初被认为是有前途的技术的失败和放弃。弥合这一差距需要学术研究转向提高工业要求下的性能。作者认为要做到以下几点：

1、基础科学可以通过在电化学循环期间探测反应的原位技术揭示高容量电活性材料的潜在化学和结构机制来帮助。

2、应建立学术界和工业界之间的标准协议。

3、在解决LIB中的关键问题时，在科学家和工程师之间分享经验和知识将继续是至关重要的。