Nature Energy ：锂金属电池库仑效率的理解与应用- 大数跨境

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Nature Energy ：锂金属电池库仑效率的理解与应用

科学材料站

2020-07-08

导读：在这项工作中，作者研究了CE及其与LIB和几个有代表性的LMBs的循环寿命的关系。讨论了电化学原理对CE作为电池循环监测仪适用性的影响。提出了一种测量和应用毛细管电泳的方法。

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导读

库仑效率（CE）作为电池可逆性的定量指标，在电池研究中得到了广泛的应用。虽然CE有助于预测锂离子电池的寿命，但在可充锂金属电池中，这种预测并不一定准确。

基于以上现状，美国西北太平洋国家实验室、美国华盛顿大学西雅图分校的Jie Xiao教授在国际知名期刊Nature Energy上发表题为“Understanding and applying coulombic efficiency in lithium metal batteries”的论文。Jie Xiao为本文第一作者。

图1. 图片概要

在本文，作者讨论了CE的基本定义，并揭示了CE在锂离子电池中的真正含义以及几种典型的锂金属电池结构。通过考察锂离子电池和金属锂电池中CE的异同，建立了一套CE测试方案，旨在开发出高能量长寿命实用锂金属电池。对CE和CE协议的理解，广泛适用于其它可充电金属电池，包括锌、镁、钠电池。

背景简介

1.锂金属电池的优异表现

人们迫切需要能够为电动汽车和电网储能等各种应用提供优于锂离子电池（LIB）或所谓的超越LIB技术的性能的电池。在许多超越LIB的电池中，已广泛研究了具有使现有LIB能量密度加倍的潜力的可充电锂金属电池（LMB）。最近的结果表明，在现实的高能囊袋细胞中实现了数百个稳定的循环，这一进展令人鼓舞。

2.单纽扣电池在实验中的不足

绝大多数实验室研究都是通过纽扣电池进行的。虽然纽扣电池可用于提供化学和电化学过程的基本见解，但纽扣电池研究产生的性能数据仍然存在问题。这是因为纽扣电池中的许多关键参数通常甚至没有达到实际高能电池可接受的大小。测试条件的这种不一致会导致许多令人困惑的性能结果，并极大地减缓了有意义方向上的研究创新。在钠，镁和锌电池中也会出现同样的问题，其中纽扣电池中负极，正极和电解质之间的质量/体积之比不精确，会导致实际中电池中出现相同的再现性问题。

核心内容

作者先前探讨了建造高能锂金属袋电池的主要电池组件的最低要求，并提出了LMB的扣式电池测试条件。然而，LMBs的另一个重要特性，即循环稳定性，总是难以预测。库仑效率（CE）通常用于估算锂离子电池的循环寿命，因为CE反映了锂离子在每个循环中的损耗。虽然CE也经常被用来解释Li金属的循环寿命，但对LMB的寿命进行监测并不是很有效。由于缺乏与实际高能LMB条件相关的标准协议，即使在不同组中测量的CE本身也存在显著差异。

在这项工作中，作者研究了CE及其与LIB和几个有代表性的LMBs的循环寿命的关系。讨论了电化学原理对CE作为电池循环监测仪适用性的影响。提出了一种测量和应用毛细管电泳的方法。

文章链接:

Understanding and applying coulombic efficiency in lithium metal batteries

https://www.nature.com/articles/s41560-020-0648-z#article-info

导师简介:

Jie Xiao 教授

Dr. Jie Xiao is currently a chief scientist at Pacific Northwest National Laboratory. She also holds a joint position at Department of Chemistry & Biochemistry at University of Arkansas. Dr. Xiao obtained her Ph.D degree in Materials Chemistry from State University of New York at Binghamton in 2008. She received her B.S (2001) and M.S.(2004) degrees both from Wuhan University, China. Dr. Xiao’s research interest focused on the identification of new materials and novel technologies for electrochemical energy storage and conversion. She has been leading research thrusts on both practical applications and fundamental study of energy storage materials and systems, spanning from micro-batteries for acoustic fish tags to advanced battery technologies for vehicle electrification and stationary applications. She was the recipient of several awards including Arkansas Research Alliance Scholar, Ronald L. Brodzinski Early Career Exceptional Achievement Award, Zapperd Award from the American Chemical Society (ACS) and R&D 100 award etc. Her work has been widely reported by many media including C&EN News, R&D magazine, U.S. Department of State etc. Dr. Xiao has published more than 100 peer-reviewed journal papers (Google H-index:52), 2 book chapters and filed 18 US patents (issued and pending) in the area of energy storage research area.