中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電動(dòng)汽車（EV）和其他可再生能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展勢(shì)頭為新能源行業(yè)帶來(lái)了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)特別是可充電電池。電動(dòng)汽車要與化石燃料汽車競(jìng)爭(zhēng)，它們必須在一次充電時(shí)提供約800公里的行駛里程。然而，目前LIB僅具有~250 Wh/kg 的重量能量密度，對(duì)于裝有重達(dá)900公斤的電池組的電動(dòng)車來(lái)說(shuō)相當(dāng)于440公里。引入更多的電池肯定可以延長(zhǎng)行駛距離; 然而，總重量和相關(guān)成本是卻難以承受。因此各國(guó)紛紛提出鼓勵(lì)開發(fā)高能量密度電池以滿足未來(lái)需求的計(jì)劃。
對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)其能量密度（E）由所用氧化還原電對(duì)之間的電化學(xué)電壓（V）和電極中電活性材料的比電容（C）確定：
C c / C a是正極/負(fù)極的比容量，Vc / V a是正極/負(fù)極的電化學(xué)電位
圖1.基于不同正極和負(fù)極材料的LIB的比能量密度
LIB的能量密度可以通過(guò)增加工作電壓或電荷存儲(chǔ)容量或質(zhì)量負(fù)載或任何組合來(lái)增加。因此各種各樣的電池出現(xiàn)，盡管這些電池在增加LIB的能量密度方面取得了成功，但研究團(tuán)體越來(lái)越擔(dān)心學(xué)術(shù)研究中報(bào)告的特殊性能越來(lái)越難以實(shí)際應(yīng)用。因?yàn)橐粋€(gè)性能指標(biāo)的優(yōu)化通常以其他參數(shù)的損失為代價(jià)，并且評(píng)估本身傾向于基于對(duì)實(shí)際使用沒(méi)有意義的實(shí)驗(yàn)條件。
近日，武漢大學(xué)艾新平和浙江大學(xué)梁成都教授研究了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的差異，強(qiáng)調(diào)雖然學(xué)術(shù)和工業(yè)研究有不同的用途，但為了更好地對(duì)電池材料和器件進(jìn)行全面評(píng)估，應(yīng)該在評(píng)估性能指標(biāo)時(shí)進(jìn)行調(diào)和。
1.電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)的重要性
圖2.從紐扣電池到電池組的LIB中電極的各種性能指標(biāo)
電池性能評(píng)估需要測(cè)量和量化一系列性能指標(biāo)，包括比容量，電壓窗口，質(zhì)量負(fù)載，循環(huán)性，庫(kù)侖效率，電解質(zhì)消耗，重量性能，體積性能和可擴(kuò)展性。基于有限數(shù)量的指標(biāo)報(bào)告性能并不能真實(shí)地反映實(shí)際使用所需的性能。
比容量
比容量是電活性材料以單位質(zhì)量存儲(chǔ)的電荷量的指標(biāo)。一個(gè)重要的規(guī)則是，在計(jì)算特定容量的值時(shí)，必須考慮電極中的氧化還原活性和非活性材料。通常，其測(cè)量通過(guò)在給定電位窗口和特定溫度下的恒電流充電/放電來(lái)完成。因此，制備和測(cè)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(méi)有標(biāo)準(zhǔn)程序可用于確定其價(jià)值。鑒于具有高壓平臺(tái)的正極和具有低壓平臺(tái)的負(fù)極是優(yōu)選的組合，建議正極的放電下限為~1.5-2.0V，而在負(fù)極中充電上限應(yīng)低于1.5V。 同時(shí)，電解質(zhì)的電壓窗必須是電化學(xué)穩(wěn)定的。
質(zhì)量負(fù)載
質(zhì)量負(fù)載由單位面積中集流體上的電極漿料的重量限定。在實(shí)驗(yàn)室電池中，電極通常涂有低質(zhì)量負(fù)載（低于2 mg cm-2）。這種薄電極層（<20μm）減少了電通路并有利于電解質(zhì)滲透，確保可忽略不計(jì)的極化極化以進(jìn)行最大性能研究。隨著面負(fù)荷增加，電極膜變厚。在涂覆和干燥之后，厚電極傾向于破裂和分層，使得高負(fù)載電極更難以生產(chǎn)。在當(dāng)前的LIBS，電極具有?5-10?mg?cm-2，允許的真實(shí)容量約為3-4mAh cm-2。對(duì)于500 Wh/kg 的下一代LIB ，面積容量應(yīng)增加到~6-7 mAh cm-2。這種高面積容量只能通過(guò)組合高容量材料和高質(zhì)量負(fù)載來(lái)解決。因此，電極中的高質(zhì)量負(fù)載應(yīng)該是高能量密度LIB的焦點(diǎn)。
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
可循環(huán)性是電極材料在循環(huán)期間可以維持其初始容量的次數(shù)的量度。恒電流充電/放電是評(píng)估循環(huán)穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)方法。優(yōu)異的可循環(huán)性要求（i）電極材料穩(wěn)定性足以應(yīng)對(duì)電化學(xué)應(yīng)變和體積變化，和（ii）電解質(zhì)和電極之間的穩(wěn)定界面，在每個(gè)循環(huán)中實(shí)現(xiàn)可逆的離子轉(zhuǎn)移而沒(méi)有鋰損失。前者涉及活性材料的性質(zhì)，而后者涉及庫(kù)侖效率（CE）
圖3. 庫(kù)侖效率（CE）對(duì)理論全電池容量保持的影響
庫(kù)侖效率
理想的CE為100％，表明離開陰極處于完全充電狀態(tài)的所有鋰離子可以在完全放電狀態(tài)下返回陰極。然而，一些鋰在每個(gè)循環(huán)中被消耗，由于副反應(yīng)而被困在固體電解質(zhì)界面（SEI）的形成中。因此，CE對(duì)于每個(gè)循環(huán)小于100％。通常，容量保持率為80％是EV行業(yè)的能量存儲(chǔ)裝置的壽命的標(biāo)準(zhǔn)。因此，為了商業(yè)化，循環(huán)穩(wěn)定性高達(dá)500次循環(huán)需要99.96％的CE。
重量能量密度
重量能量密度反映了在單位質(zhì)量的材料/裝置中可以存儲(chǔ)多少電荷。學(xué)術(shù)研究?jī)A向于在電池中使用大量過(guò)量的電極和電解質(zhì)。結(jié)果，所獲得的性能不一定代表現(xiàn)實(shí)情況。在工業(yè)中，必須考慮所有參數(shù)，包括質(zhì)量比，陽(yáng)極和陰極負(fù)載以及電解質(zhì)的量。
體積能量密度
體積能量密度以單位體積計(jì)量能量密度并且更難以計(jì)算，因?yàn)殡姌O密度由氧化還原活性和非活性材料共同決定。為了增加體積能量密度，必須使非活性材料的量最小化，以便允許將更多的電活性材料結(jié)合到固定的電極體積中。特別是，電解質(zhì)的量應(yīng)該降低到不損害電極中電化學(xué)性能的水平。如果使用可靠的電極參數(shù)和性能計(jì)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(yù)期的LIB體積性能。
2.實(shí)驗(yàn)室電池研究條件的不足
學(xué)術(shù)研究中的性能指標(biāo)是高度理想化的環(huán)境中達(dá)到的。然而實(shí)際可行的LIB應(yīng)該尋求理解上述多個(gè)指標(biāo)之間存在的權(quán)衡。在文中作者以鋰硫電池為例，闡述了如何實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)的差異性。
圖4.硫沉積和由此導(dǎo)致的阻塞導(dǎo)致高負(fù)載硫正極的失效
高質(zhì)量負(fù)載的極化
以Li-S電池為例，仍然需要克服許多挑戰(zhàn)，已經(jīng)做出巨大努力來(lái)確定解決這些問(wèn)題的戰(zhàn)略和方法。對(duì)于能量密度> 500 Wh/kg的實(shí)用Li-S電池，硫的質(zhì)量負(fù)荷需要達(dá)到~7-8 mg cm-2甚至更高，如此高的質(zhì)量負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電極的嚴(yán)重極化，多硫化物優(yōu)選在電極表面上還原為硫，內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的不均勻沉積和阻塞，可能導(dǎo)致硫正極的電化學(xué)失活。由于硫正極低質(zhì)量負(fù)載受到控制，因此在實(shí)驗(yàn)室研究中很少發(fā)生這種復(fù)雜的過(guò)程。
循環(huán)期間庫(kù)侖效率不足
雖然許多保持材料和電極完整性的方法有效地改善了硫化物正極的循環(huán)壽命，但CE仍遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。使用鋰金屬負(fù)極的半電池配置掩蓋了導(dǎo)致較差循環(huán)性能的低CE。在半電池中金屬鋰負(fù)極可以不斷抵消鋰的消耗，而且電池中過(guò)量的電解液還不必考慮電解液的分解影響。高CE> 99.9％還沒(méi)有引起文獻(xiàn)的關(guān)注。這些輔助數(shù)據(jù)仍然不能直接應(yīng)用于工業(yè)技術(shù)。
過(guò)度簡(jiǎn)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。一種有效的策略是多孔材料/電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和合成。這種多孔結(jié)構(gòu)不僅提供高比表面積的偽容量，而且有利于鋰離子通過(guò)電解質(zhì)滲透的快速擴(kuò)散。但在實(shí)際應(yīng)用中，具有分層結(jié)構(gòu)的電活性材料具有低振實(shí)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
實(shí)驗(yàn)室和商用電極在電活性和非活性材料之間的組分比方面明顯不同。在實(shí)驗(yàn)室中，特殊電極容量的報(bào)告通常很大程度上取決于大量的導(dǎo)電添加劑，粘合劑和電解質(zhì)。在Li-S電池的研究中，主要考慮了高硫含量（＞90％）、低電解質(zhì)／硫比和有限鋰過(guò)量（50～100％）等關(guān)鍵參數(shù)。機(jī)械性能、電化學(xué)性能和能量密度的進(jìn)一步發(fā)展要求在這方面進(jìn)行一系列的優(yōu)化和平衡。
除了這些指標(biāo)外，其他性能指標(biāo)，如熱穩(wěn)定性，規(guī)模成本，電解質(zhì)消耗以及材料可回收性都對(duì)工業(yè)或?qū)嶋H的工業(yè)或?qū)嶋H應(yīng)用產(chǎn)生挑戰(zhàn)。因此，實(shí)際應(yīng)用可獲得的電活性材料必須經(jīng)過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化。針對(duì)實(shí)際LIB的面向解決方案的研究應(yīng)該使用工業(yè)參數(shù)并從最早階段開始。
未來(lái)電池的成功將嚴(yán)重依賴于高容量電活性材料的開發(fā)進(jìn)展，以實(shí)現(xiàn)幾乎可行的性能指標(biāo)。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間的差距對(duì)這些材料和相關(guān)電池化學(xué)的實(shí)際使用提出了挑戰(zhàn)，甚至導(dǎo)致了最初被認(rèn)為是有前途的技術(shù)的失敗和放棄。彌合這一差距需要學(xué)術(shù)研究轉(zhuǎn)向提高工業(yè)要求下的性能。作者認(rèn)為要做到以下幾點(diǎn)：
基礎(chǔ)科學(xué)可以通過(guò)在電化學(xué)循環(huán)期間探測(cè)反應(yīng)的原位技術(shù)揭示高容量電活性材料的潛在化學(xué)和結(jié)構(gòu)機(jī)制來(lái)幫助。
應(yīng)建立學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
在解決LIB中的關(guān)鍵問(wèn)題時(shí)，在科學(xué)家和工程師之間分享經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)將繼續(xù)是至關(guān)重要的。
Zhan Lin, Tiefeng Liu, Xinping Ai &Chengdu Liang, Aligning academia and industry for unified battery performance metrics, Nature Communications, 2018, DOI：10.1038/s41467-018-07599-8
