鋰電池電動車用3.2V聚（jù）合物鋰電池壽命性能

【研究背（bèi）景】

自1991年商業化以來，可充鋰離子電池（LIBs）在便攜式電子設備（bèi）、電（diàn）動汽車和智能電網等領域占據了儲能市（shì）場的主導地位。然而，到目前為止（zhǐ）獲得的電池能量（liàng）密（mì）度仍然不能（néng）滿足日益增長（zhǎng）的儲能需求，特別是（shì）對於（yú）續航裏程超過500公裏的遠程電（diàn）動汽車而言。盡管不同類型的電池（高（gāo）電（diàn）壓LIBs、Li-S電（diàn）池和鋰金屬電池）已經得到了廣泛的研究，但能量密度超過300 Wh kg^-1仍（réng）然具有挑戰性。除了考慮電極材料容量外，還需要考慮電池的其（qí）他參數，例如：麵積載量密度（dù）、正極和負極之間的電壓差、初始容（róng）量和初始庫侖（lún）效率。

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【成果簡介】

最近（jìn），中科院長春（chūn）應化所明軍研究（jiū）員，漢陽大學Yang-Kook Sun教授（shòu）和阿（ā）卜杜（dù）拉國王科技大學Husam N. Alshareef教授（共同通訊作者）提出了一種新的經驗模（mó）型（xíng），該模型除了考慮電極容量外，還考慮了多個設計參數，包括麵積載量密度、電壓差、初始容量平（píng）衡以及初始庫侖效率來估計可實現的能量密度。使用該方法用於預測電池能量密（mì）度，可達實現300 Wh kg^-1以上。同時該模型表明，電（diàn）極材料的儲鋰容量隻是影響最（zuì）終電池（chí）能量密度的幾個重要因素之（zhī）一。本文的模型打破了傳統估計電池能量密度的模式，為設計更高能量密度的電池提供了一個直接的指導。相關研究成果以“An Empirical Model for the Design of Batteries with High Energy Density”為題發表在ACS Energy Lett.上。

【核心內容】

一、模型的描述

在傳統的認識中，鋰離子電池的能量密度（E）在很大程（chéng）度上可以由其電極材料決定：

其中，Q和m是電池的容（róng）量和質量，變量U是（shì）正極和負極之間的電位差，這與正負極和基本電子電荷的費（fèi）米能級（jí）有（yǒu）關，然而，電子在真空水平上（費米（mǐ）能水（shuǐ）平）的電位與（yǔ）實際不一樣。此外，雖然電壓差可以用兩個電極中Li的電位差來表示，但電壓差隨（suí）電池充電狀態（SOC）的變化而變化。因此，引入了平均電壓差（chà）（ΔU）來簡化E的計算，變量Q表示電池容量，由Q=C_pm_p可以（yǐ）計算出電池容量，其中C_p和m_p分（fèn）別表示正極（jí）的可逆比容量和總質量載量（liàng），E的表達（dá）式可以（yǐ）寫成（chéng）：

其中，常數k代表為k=（m_p+m_n）/m。因此，E的表達式可（kě）以寫成：

K的大小受很多（duō）的因素的影（yǐng）響，如電極材料特性（顆粒大小，比表麵積）、電極製（zhì）備過程（麵（miàn）積載量密（mì）度、壓實密度）、隔膜、集流體和包裝工藝。因此，k值是一個通用常數，可以用於不同類型的電池，目前很難（nán）直接計算k值。但是，可以通過當前（qián）LIBs的實際能（néng）量（liàng）密度得到一個經驗值。

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最後，引入了正極和負極之間的平衡初始容量（χ），其中χ=C_nm_nε_p/C_pm_pε_n，將其引入公式3：

當χε_n/ε_p=1.1時，這意味著負極的可逆容量比正極高10%，這（zhè）是目前大多數電池設計中所要求的。

圖1. LIBs示（shì）意圖和能夠影（yǐng）響其能（néng）量密度的因素。（a）電池示意圖及其參數；（b）運用簡單模型實現高能（néng）量密度的方法。