【研究背景】

自1991年商業(yè)化以來，可充鋰離子電池（LIBs）在便攜式電子設(shè)備、電動汽車和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域占據(jù)了儲能市場的主導(dǎo)地位。然而，到目前為止獲得的電池能量密度仍然不能滿足日益增長的儲能需求，特別是對于續(xù)航里程超過500公里的遠(yuǎn)程電動汽車而言。盡管不同類型的電池（高電壓LIBs、Li-S電池和鋰金屬電池）已經(jīng)得到了廣泛的研究，但能量密度超過300 Wh kg^-1仍然具有挑戰(zhàn)性。除了考慮電極材料容量外，還需要考慮電池的其他參數(shù)，例如：面積載量密度、正極和負(fù)極之間的電壓差、初始容量和初始庫侖效率。

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【成果簡介】

最近，中科院長春應(yīng)化所明軍研究員，漢陽大學(xué)Yang-Kook Sun教授和阿卜杜拉國王科技大學(xué)Husam N. Alshareef教授（共同通訊作者）提出了一種新的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型除了考慮電極容量外，還考慮了多個設(shè)計參數(shù)，包括面積載量密度、電壓差、初始容量平衡以及初始庫侖效率來估計可實(shí)現(xiàn)的能量密度。使用該方法用于預(yù)測電池能量密度，可達(dá)實(shí)現(xiàn)300 Wh kg^-1以上。同時該模型表明，電極材料的儲鋰容量只是影響最終電池能量密度的幾個重要因素之一。本文的模型打破了傳統(tǒng)估計電池能量密度的模式，為設(shè)計更高能量密度的電池提供了一個直接的指導(dǎo)。相關(guān)研究成果以“An Empirical Model for the Design of Batteries with High Energy Density”為題發(fā)表在ACS Energy Lett.上。

【核心內(nèi)容】

一、模型的描述

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

其中，Q和m是電池的容量和質(zhì)量，變量U是正極和負(fù)極之間的電位差，這與正負(fù)極和基本電子電荷的費(fèi)米能級有關(guān)，然而，電子在真空水平上（費(fèi)米能水平）的電位與實(shí)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，但電壓差隨電池充電狀態(tài)（SOC）的變化而變化。因此，引入了平均電壓差（ΔU）來簡化E的計算，變量Q表示電池容量，由Q=C_pm_p可以計算出電池容量，其中C_p和m_p分別表示正極的可逆比容量和總質(zhì)量載量，E的表達(dá)式可以寫成：

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

K的大小受很多的因素的影響，如電極材料特性（顆粒大小，比表面積）、電極制備過程（面積載量密度、壓實(shí)密度）、隔膜、集流體和包裝工藝。因此，k值是一個通用常數(shù)，可以用于不同類型的電池，目前很難直接計算k值。但是，可以通過當(dāng)前LIBs的實(shí)際能量密度得到一個經(jīng)驗(yàn)值。

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最后，引入了正極和負(fù)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(dāng)χε_n/ε_p=1.1時，這意味著負(fù)極的可逆容量比正極高10%，這是目前大多數(shù)電池設(shè)計中所要求的。

圖1. LIBs示意圖和能夠影響其能量密度的因素。（a）電池示意圖及其參數(shù)；（b）運(yùn)用簡單模型實(shí)現(xiàn)高能量密度的方法。