【研究背景】

自1991年商業(yè)化以來，可充鋰離子電池（LIBs）在便攜式電子設備、電動汽車和智能電網等領域占據了儲能市場的主導地位。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，例如：面積載量密度、正極和負極之間的電壓差、初始容量和初始庫侖效率。

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【成果簡介】

最近，中科院長春應化所明軍研究員，漢陽大學Yang-Kook Sun教授和阿卜杜拉國王科技大學Husam N. Alshareef教授（共同通訊作者）提出了一種新的經驗模型，該模型除了考慮電極容量外，還考慮了多個設計參數，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現的能量密度。使用該方法用于預測電池能量密度，可達實現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(fā)表在ACS Energy Lett.上。

【核心內容】

一、模型的描述

在傳統(tǒng)的認識中，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是電池的容量和質量，變量U是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米能級有關，然而，電子在真空水平上（費米能水平）的電位與實際不一樣。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量載量，E的表達式可以寫成：

其中，常數k代表為k=（m_p+m_n）/m。因此，E的表達式可以寫成：

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，可以通過當前LIBs的實際能量密度得到一個經驗值。

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最后，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%，這是目前大多數電池設計中所要求的。

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；（b）運用簡單模型實現高能量密度的方法。