第一作者：Kyle S. Jiang
通訊作者：Betar M. Gallant教授
通訊單位：麻省理工學院、阿貢國家實驗室
【成果簡介】
鋰金屬電池研究中，使用扣式電池 (coin cells) 來評估鋰負極庫侖效率 (Coulombic efficiency, CE) 的可靠性存疑。
對此，來自麻省理工學院、阿貢國家實驗室的Betar M. Gallant教授等調查了一些經常被隱藏的電池參數對鋰/銅CE測量的影響。首先，檢查使用的隔板數量、彈簧類型或壓接時施加的荷載等三個代表性電池組裝參數如何影響電池壓接力學和壓力。然后，對具有不同內部電池狀態的扣式電池進行循環測試。通過在一組電解液上進行統計分析，研究了不同的構造方法對研究人員關于個別CE值和相對性能的結論的影響程度。最后，將這個框架應用于分析基準數據集的結果，并深入了解文獻中測量和報告電解液性能的可能條件。
相關研究成果以“How reliable is coin-cell-based ranking of Li anode Coulombic efficiency?”為題發表在Joule上。
【研究背景】
為了滿足電動汽車對電池能量密度的高要求，研究者們嘗試用鋰金屬替代傳統的石墨負極。然而，鋰金屬在液態電解液中的CE不足，需要達到99.98%以上才能在1000次循環后保持80%的容量。過去十年中，通過改進電解液設計策略，鋰CE得到了顯著提升，現在經常能看到超過99%的CE報告。
目前，CE的標準測量方法是使用鋰/銅扣式電池。扣式電池因其組件易于獲取和組裝，成本較低，且能快速測試少量活性材料和電解液而被廣泛使用。然而，不同研究組之間的實驗方法缺乏控制，導致準確地跨研究比較CE變得具有挑戰性。
【研究內容】
扣式電池的組裝
首先研究了扣式電池的組裝過程，包括電池的堆疊順序和各個組件的厚度。研究發現，電池的最終厚度和內部壓力受到組裝參數的影響，如隔板數量、彈簧類型和壓接載荷。
壓接力學
通過使用力敏電阻 (FSR) 和壓力敏感膜，監測了壓接過程中的動態內部壓力和壓接后的靜態壓力。研究發現，壓接載荷、隔板數量和彈簧類型對內部壓力有顯著影響。壓接過程中的內部壓力對電池的組裝參數非常敏感。增加壓接載荷、隔板數量或使用錐形彈簧都會增加峰值壓力，但對靜態壓力的影響較小。壓力敏感膜的測試結果表明，不同的電池配置會導致內部壓力分布的顯著差異。
圖1. 電池內壓力。
CE測量
進一步選擇八種具有代表性的電解液，包括碳酸酯、醚和局部高濃度電解液 (LHCEs)，并使用不同的扣式電池配置來測量它們的CE。采用修改后的Aurbach協議進行CE測量，并分析了不同電池配置對CE的影響。在所有測試的電解液中，至少有一對CE值在統計上是不同的。然而，這種差異小于文獻中報告的CE范圍，這歸因于在單一研究中其他電池組裝變量的同質化。研究還發現，隨著CE的增加，CE的壓力敏感性降低，這與之前的研究結果一致。
圖2. 不同電池配置測量CE的總結以及與文獻基準的比較。
CE相似性分析
通過比較不同電池配置下的CE數據，研究發現，即使在極端情況下，CE的排序也相對一致。對此，提出了兩個指標來量化CE數據集之間的一致性：平均絕對誤差 (MAE)和排序相似性。結果表明，不同的電池配置可能會導致CE的排序發生一些變化，尤其是在CE值相近的電解液之間。
圖3. CE數據集之間的相似性評價。
【結論展望】
綜上所述，盡管扣式電池的組裝參數會影響CE的測量結果，但在廣泛的CE范圍內，電解液的排序相對可靠。然而，當CE值相近時，排序可能會因電池配置的微小變化而發生顯著變化。因此，為了獲得更準確的CE排序，研究人員應該在測試所有電解液時保持電池配置的一致性，并且在報告CE數據時，應該披露電池組裝的詳細信息，以便其他研究人員能夠復現這些結果。此外，為了推動鋰金屬電池的發展，研究人員應該利用扣式電池配置的可變性來更直接地探索可能性空間，并且在比較新電解液與標準電解液時，應該參考文獻中報告的最佳性能值。同時，建議建立明確的基準數據集，以便更準確地評估電解液的性能。
來源：能源學人
【文獻信息】
Kyle S. Jiang, Kyeong-Ho Kim, and Betar M. Gallant*,How reliable is coin-cell-based ranking of Li anode Coulombic efficiency?,Joule, https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101963
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