近年来，锂电池领域迅猛发展，但学术研究和工业市场需求之间鸿沟越来越大，其部分原因源于缺乏关于工业市场需求的有关论文发表。
在此，美国投资机构Volta Energy Technologies James T. Frith，瑞典斯堪尼亚商用汽车有限公司Matthew J. Lacey，法国Sphere Energy SAS Ulderico Ulissi等人以突出重点并弥合学术研究和产业化之间的差距，重点讨论了在产业化上开发新技术时要考虑的关键指标和挑战，以及需要考虑各种性能方面的必要性。同时，本文重点聚焦电动汽车（EV），其主导了当今的需求，预计未来几年将大幅增长。同时，作者讨论了技术成熟度，以及评估了将技术推向市场时常见的陷阱。此外，作者选择了一些技术作为案例，深入讨论了如今市场迫切需要的东西，以及在扩大规模时的机遇和挑战，并确定哪些技术目前具有广阔的前景。
相关研究成果“A non-academic perspective on the future of lithium-based batteries”为题发表在Nature Communications上。
【核心内容】
作为学术研究和产业应用的典范，锂电池已经取代传统的铅酸和镍氢电池进入人们生活的方方面面。同时，随着低成本和高能量密度的电池的发展，人们对锂离子电池的需求也增长了十倍以上，从2011年的约30 GWh增长到2021年的492 GWh，预计到2030年将达到2-3.5 TWh。随着锂离子技术无处不在，来自电池化学/设计变更、包装工程和制造工艺完善，将使得锂电池性能进一步提高和价格下降。
如今，通过使用高镍、低钴正极活性物质，能够保证电池的比能量超过270 Wh kg-1。其中，常用的正极材料NMC811，仅含有6 wt%的钴，其原材料成本不到LCO的一半。随着锂离子电池（基于插层反应的正极）达到其理论性能极限，制造商和研究人员正在关注其他活性材料和电池关键部件。高硅含量负极、锂金属负极、固态电解质、负极预锂化策略和干电极涂层有望在5-10年内，实现锂电成本降低、性能提高或两者兼而有之。展望未来，基于转化反应的正极活性材料，如硫或氧，可以为锂基电池进一步降低成本提供机会，但这通常以牺牲电池性能为代价。
在进行以产业化开发为重点的研究时，研究人员应该开发一个能够解决一个问题的产品，而不是开发需要找到要解决的问题的解决方案。锂离子电池作为工业产品的一个例子，研究应侧重于解决该技术存在的问题。然而，如今发表的关于锂电池的研究越来越多，但对解决行业挑战几乎没有帮助，这通常是由于缺乏对最终应用中锂电池所需的更广泛的最终用途和性能参数的理解。
图1. 1991-2021年锂离子电池的价格演化。
一、离子电池的技术准备水平
通常情况下，技术准备水平（TRL）被用于估计技术成熟度的标准，最近有人提出了用于电池制造的特定TRL等级，本文提出了一个不同的TRL等级，以帮助决策者评估商业化道路上技术开发的实际状态。其中，TRL较低的技术与项目失败或技术无法过渡到下一个级别的风险较高相关，但这种风险被完成项目所需的较低资本投资所抵消。
其中，学术研究通常在TRL 1-4中进行，他们通常不太关心最终用户的要求或关键性，但这些要求或关键性指标在扩大和制造储能设备时需要重点考虑。造成这样现状的原因有二：一、实验室中的电池测试不同于商业化设备；同时，电化学储能的科学研究普遍受到数据虚假和缺乏透明度的困扰。
图2. 电动汽车电池应用的技术准备水平规模。
二、锂离子电池性能的实际评价
电池研发受到一系列指标的强烈驱动，在应用和电池本身之间通常具有复杂的联系。电动汽车而言，安全性、续航里程、电池组的安装空间、成本、功率和寿命将在很大程度上影响着所使用电池能量密度、化学、电池设计以及日历和循环寿命。这些要求不仅取决于特定应用的需求，还取决于其他因素，例如市场法律规定的安全要求。同时，对新电池化学系统（例如锂硫、固态、钠离子）和其他（例如氧化还原液流电池、金属空气）的研究，无论应用如何，多年来都受到这些指标的大力推动。但值得注意的是：这些指标在基础研究与电池最终应用之间存在着复杂的关系。
图3展示了正在开发的各种电池技术，特别是那些具有纯硅或锂金属负极的新型电池，在高能电池的开发中居于领先地位。然而，具有实验室规模的高能电池很多方面达不到应用要求：比如使用过量的锂源和电解液，这在实际应用中是不得允许的。为了实现电池的实际应用，在构思实验设计时，必须现实地承认最新技术实际限制是什么或可能是什么。应考虑关键变量，例如负极于正极的容量之比（“N/P比”），实际电极容量，涂层厚度，孔隙率和电解液使用量。
图3. 不同电池技术的能量，以及理论和系统研究水平之间的能量损失。
三、实验室研究与产业应用的差距
例如，从使用锂金属作为参比电极的实验室扣式电池中的结果来看，一个具有纳米结构正极的电池在几秒钟内能够充满电，或者一种新的负极材料可能表明比最先进的负极容量保持率更好。在某些情况下，由于研究资金的驱动，科学家撰写了同行评审的科学文章，但其进一步应用却无法推动下去。
四、电池组件的产业化应用要求
电解质：电解质化学在决定电池安全性和循环寿命方面起着重要作用，汽车行业强烈推动考虑所谓的“固态电池”（SSB），这可以说是迄今为止这十年中最被炒作的技术之一。不幸的是，尽管科学文献中报道了大量工作，但没有一致和全面的分类可用于全固态电池。今后电解质商业化开发一般考虑因素：
1. 电解质制备都必须以高产率（例如>30 m/min）制造致密（~100%）、无孔和薄（例如<20μm）为标准，同时实验室规模的电池必须满足10-100 Ah电池所需的性能，而10-100 Ah电池被认为是EV级电池所需的目标。
2. 安全测试是实现更高TRL的关键，电池安全始终是电池能否使用的关键指标。
3. 电解质热和机械要求。
负极：在过去30年中，锂离子电池中使用的正极材料的性能稳步提高，但商业化电池中使用的负极活性材料却保持相对不变。石墨作为使用最广泛的负极材料，已经成功应用到商业化的电池中，而更高能量密度的硅基和锂金属负极由于性能和安全问题一直不能进行下一步应用。在硅基负极方面，使用体积膨胀更小的氧化硅（SiO），该材料早在2013年就已在商业电池中应用，例如三星和特斯拉，第一次将氧化硅纳入电动汽车电池。今天，石墨基负极材料中氧化硅的百分比通常估计在2-10 wt%左右。在锂金属负极方面，锂薄的可制造性是一个悬而未决的问题，以便将锂金属电极用于电池行业。传统的锂金属箔制造（图5自上而下的方法）通常在干燥或惰性气氛下进行（会增加加工成本），通过辊压减薄锂金属箔。目前，最先进的工艺生产最小厚度为20μm的箔片。
图4. 金属锂和硅基电池的理论体积变化。
图5. 锂箔和电极的制备。
图6. 电池价格预测。
图7. 从矿物提取到回收的循环EV电池价值链，以及达到开始生产（SOP）所需的时间。
【结论展望】
综上所述，锂电池成本和性能的显著改善与电池、系统和供应链层面的创新以及材料开发一样重要。电池开发是一个具有复杂价值链的跨学科技术领域。为了使学术研究为这些部门提供最大的利益，需要跨学科的合作，该行业应就特定的最终客户需求积极向学术界提供建议。例如，可以通过支持工业研究人员与学术界分享经验，鼓励工业研究人员发表更多同行评审的论文，以及增加行业会议上的学术代表性（反之亦然）来促进这一点。指标很重要，但哪些指标很重要以及它们如何从理论转化为实际应用取决于具体情况。
从长远来看，炒作、过度推断和不正当的激励措施只会对该行业造成伤害。不幸的是，在学术界和工业界，电池领域因炒作、虚假承诺和不切实际的目标而声名狼藉。近年来，许多其他科学领域不得不努力应对可重复性或科学完整性危机，通常这些危机是由电池文献中很容易找到的缺点引起的。特别是，强烈建议电池研究人员牢记以下方面，以改善材料开发，同时不忽视实际应用方面：
1. 电解质成本必须与电化学稳定性和离子电导率相平衡，循环寿命的改善是大多数应用的关键，应鼓励对新型电解质系统的研究。
2. 近年来，尤其是汽车制造商的重点是实现能量密度的飞跃变化，这使得引入或切换到硅和锂金属负极的关注更加突出，因此需要重新思考电池设计。
3. 降低成本、增加能源和寿命方面的目标也可以通过渐进式改进来实现。
4. 正极活性材料选择既受成本驱动，也受性能驱动。在未来，负极材料的选择可以同样区分这些电池。
【文献信息】
James T. Frith, Matthew J. Lacey, Ulderico Ulissi, A non-academic perspective on the future of lithium-based batteries, 2023, Nature Communications.
https://doi.org/10.1038/s41467-023-35933-2
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