近日，德國巴登-符騰堡州太陽能和氫能研究中心Alessandro Innocenti 、Markus H?lzle在鋰離子電池性能評估方面取得了重要進展。該團隊在《Nature Nanotechnology》期刊上發表了一篇題為“From small batteries to big claims”的研究論文，深入探討了電池尺寸和面積對性能評估的影響，并提出了從小型電池到大型電池性能放大的標準化框架。通過實驗驗證了大面積卷繞電池（如21700型圓柱形電池）在性能評估中的優勢，表明這類電池能夠更可靠地反映電極制造質量和實際應用中的性能表現。他們還強調了在技術成熟度4級及以上的研究中，詳細報告電池幾何參數和制造工藝的重要性，以促進電池研究和開發的標準化和工業化應用。
該成果以“From small batteries to big claims”為題發表在“Nature Nanotechnology”期刊，第一作者是Rares-George Scurtu。
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【工作要點】
本文強調鋰離子電池性能評估中電池尺寸和面積的重要性，并探討了從小型電池到大型電池的性能放大過程中的關鍵因素。
1. 電池尺寸與性能的關系 ?
? ?文章指出，電池的幾何面積和尺寸對電極質量和數據可靠性有顯著影響。小型電池（如扣式電池）通常用于初步評估新型電池材料，但其測試結果在放大到大型電池（如21700型圓柱形電池）時存在局限性。小型電池的高周長與面積比（例如扣式電池為3.33 cm?1）會導致邊緣效應顯著，而大型電池（如21700型電池，周長與面積比為0.36 cm?1）則能有效減少這種邊緣效應，從而提供更可靠的性能數據。
2. 電極質量與電池性能的關聯 ?
? ?實驗數據表明，大面積卷繞電池（如21700型圓柱形電池）在制造過程中對電極質量的要求更高。大面積電極需要在長距離（如1米以上）內保持均勻的涂層和高質量，這在小型電池中難以實現。大面積電池的制造過程需要嚴格的質量控制，以確保電極無缺陷，從而提高電池的整體性能和循環穩定性。
3. 從實驗室到工業化的挑戰 ?
? ?討論了從小型實驗室電池（技術成熟度3級及以下）到大型工業化電池（技術成熟度4級及以上）的放大過程中面臨的挑戰。這些挑戰包括電極涂層的均勻性、電池組裝的精確性以及測試條件的標準化。通過實驗數據展示了在試點規模生產的21700型圓柱形電池中，如何通過嚴格控制電極質量和制造工藝來實現高性能和高一致性。
4. 實驗驗證與數據標準化 ?
? ?通過實驗驗證了大面積電池在性能評估中的優勢。實驗中，34個21700型圓柱形電池在相同的材料和測試條件下進行了測試，結果顯示這些電池在放電容量、阻抗和循環穩定性方面具有高度一致性。例如，這些電池的平均放電容量為3.44 ± 0.03 Ah，1 kHz阻抗為12.6 ± 0.3 mΩ。這些數據表明，大面積電池能夠提供更可靠的性能評估，并且可以作為電池研究和開發的標準化工具。
5. 行業合作與標準化的必要性 ?
? ?文章強調了行業合作和數據標準化的重要性。通過標準化電池性能報告，可以確保不同研究機構和制造商之間的數據一致性和可比性。文章建議在技術成熟度4級及以上的研究中，詳細報告電池的幾何參數和制造工藝，以促進學術界和工業界之間的協同進步。
綜上所述，本文揭示電池尺寸和面積對性能評估的影響，并通過實驗數據支持大面積電池在性能放大和工業化應用中的優勢。同時，文章強調了標準化和行業合作在電池技術發展中的關鍵作用。
圖1 | 電極生產和電池制備的各個階段。 魚骨圖展示了電極生產（從1到4）、電池組裝（5）和化成（6）階段可能出現的缺陷和問題來源。
圖2 | 從低技術成熟度（TRL）到高技術成熟度（TRL）電池研究中電極幾何面積和周長的變化。 a. 不同電池格式的電極周長（藍色）、電極幾何面積（黃色）和周長/幾何面積比（灰色）。假設每種電池格式的尺寸、數量和電極類型的信息在補充說明1中提供。虛線僅作為參考。b. 典型21700型圓柱形電池電極、單層軟包電池電極以及商業三電極電池（EL-Cell）和2032型扣式電池電極的按比例縮放比較。對于21700型圓柱形電池電極，僅報告一個涂覆面的面積，以便與其他單面涂覆的電極進行更好的比較。
圖3 | 試點規模生產的21700鋰離子電池測試結果。 a. 一些組裝并測試的21700圓柱形鋰離子電池的照片。b. 34個圓柱形電池在0.1 C和25℃下的第三次化成循環的放電容量與電池電位曲線，每條線（從紫色到黃色漸變）代表一個不同的電池。c. 34個圓柱形電池的1 kHz阻抗（黃色，化成后，26±1℃）和放電容量（藍色，0.1 C和25℃下的第三次化成循環）的小提琴圖。白色點表示中位數，黑色條表示四分位距，須線表示全范圍；較窄區域表示離散度較低。d. 17個電池在25℃下1 C/1 C恒流-恒壓（CC-CP）循環的放電容量保持率與循環次數關系，以第一次1 C放電容量為基準，每條線（從紫色到黃色漸變）代表一個不同的電池。80%的壽命末期容量用虛線標記。e. 17個電池在25℃下1 C/1 C恒流-恒壓（CC-CP）循環的直流內阻（DCIR）與循環次數關系，每條線（從紫色到黃色漸變）代表一個不同的電池。數據展示至第708次循環，這是所有電池最后一次進行電阻測量的循環。
【結論】
在本文中，討論了大面積卷繞電池（如21700型圓柱形電池）在獲取電化學數據可靠性方面的優勢，與小型電池相比，這種優勢主要與大面積電極減少邊緣效應和準確反映電極制造質量的能力有關。希望本文展示的結果能作為基準，證明在技術成熟度4級及以上的鋰離子電池中，通過試點工廠的電極制造和電池組裝，可以獲得一致的數據。同時，需要強調的是，技術成熟度4級及以上的鋰離子電池數據不應被解釋為否定技術成熟度較低的其他電池格式。扣式電池和小面積軟包電池（無論是單層還是多層）在每個學術或工業電池研究實驗室中都發揮著關鍵作用。然而，使用小面積電極的電池中獲得的數據必須在適當的背景下進行解釋，以防止過度外推。放大過程涉及具有挑戰性的工程和技術活動，這是科學發現的一個基本方面。新提出的概念和想法的最終影響只有在應用于實際環境中時才能被完全理解和欣賞，而這一過程往往以最初未預料到的方式推動創新。倡導學術界和工業研究機構之間加強合作，將實驗室規模的小面積鋰離子電池（即技術成熟度3級及以下）的結果放大并驗證到更具實踐性和工業相關性的電池格式中。如此一來，未來或許可以彌合學術研究與工業研究之間的差距，促進電池研究與開發的協調進步。
Scurtu, R.-G., Innocenti, A., Scheck, V., Maunz, M., Waldmann, T., H?lzle, M., Hoffmann, A., Axmann, P., & Wohlfahrt-Mehrens, M. (2025). From small batteries to big claims. Nature Nanotechnology.?
https://doi.org/10.1038/s41565-025-01906-3
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