摘要：对此，来自德国巴登-符腾堡州太阳能和氢能研究中心的Alessandro Innocenti和Markus Hölzle教授基于将纳米尺度的电池基本电化学能量存储过程放大到Ah级规模的丰富经验，提出了一个报告电池单元几何面积和尺寸的框架。并强调了在从纳米尺度的电

第一作者：Rares-George Scurtu

通讯作者：Alessandro Innocenti, Markus Hölzle教授

通讯单位：巴登-符腾堡州太阳能和氢能研究中心, 乌尔姆大学

【成果简介】

在锂离子电池性能报告中，测试电池的尺寸和面积往往被忽略。然而，这些参数对于了解电极质量以及即得数据的可靠性提供了至关重要的见解。

对此，来自德国巴登-符腾堡州太阳能和氢能研究中心的Alessandro Innocenti和Markus Hölzle教授基于将纳米尺度的电池基本电化学能量存储过程放大到Ah级规模的丰富经验，提出了一个报告电池单元几何面积和尺寸的框架。并强调了在从纳米尺度的电化学过程向Ah级电池单元转化过程中，标准化和行业合作的必要性。通过实验数据和分析，强调了在技术成熟度 (TRL) 达到4级及以上的研究中，详细报告电池单元的几何面积和格式的重要性，并提出了一个报告这些参数的框架。此外，还讨论了仅在小型电池格式中测量和评估电池性能的局限性、挑战和期望。

相关研究成果以“From small batteries to big claims”为题发表在Nature Nanotechnology上。

【研究背景】

在锂离子电池性能的研究报告中，电池单元的尺寸和面积是两个常被忽视的参数，但它们对于评估电极质量和数据可靠性至关重要。许多研究使用的实验条件与实际应用差异较大，例如低活性物质载量、大体积电解液和低充电倍率。标准化数据报告实践将有助于明确电池测试条件，并识别最有前景的研究方向。一些学术期刊已经开始要求作者详细报告电极属性和循环条件等信息，但目前科学界尚未明确针对TRL 4级及以上研究的电池性能报告标准化。

【研究内容】

本文提出了一个报告电池单元几何面积和尺寸的标准化框架，并展示了一个涉及超过30个21700型圆柱形电池的实验活动结果。这些电池使用相同的材料和测试程序，旨在强调考虑电池容量、应用电位、电阻和循环稳定性等方面结果的可靠性，以及大尺寸卷绕电池作为工业电池研发活动的更好标准的适用性。

图1. 电极生产和电池制备的各个阶段。

电池面积和尺寸在电池性能报告中的重要性

在电池研究与开发中，不同格式的电池在设计和测试中具有重要意义，但从小型电池格式获得的数据不能直接外推到商业大面积电池，否则可能会忽略放大过程中出现的问题，导致在大规模生产时浪费大量时间和资源。从实验室规模到大规模生产，电池放大面临着诸多挑战，尤其在浆料混合、涂层、电极干燥、压延、电池组装和形成过程中，这些问题在mAh级电池中常被忽视，但在组装Ah级大面积电池时会显现出来。

纽扣电池常用于初步评估比容量、初始库仑效率和充-放电倍率能力，但其循环寿命数据可靠性存疑，且存在正负电极对齐问题、高周长与面积比 (纽扣型3.33 cm−1，21700型0.36 cm−1) 导致的边缘负面影响等，不适用于预测TRL≥4电池的循环稳定性。单层或双层软包电池是下一个尺寸的测试工具，可更可靠地评估长期循环稳定性，但存在周长与面积比仍较高、缺乏标准化等问题。而卷绕电池 (如圆柱形和棱柱形电池) 有标准化尺寸，便于比较不同电池的能量密度和性能，但需要更先进的设备进行组装和循环测试，且在高电流测试时，集流体和电池连接器的热行为和电阻会影响电池性能。

从基础低TRL研究过渡到高TRL商业规模时，电极的几何面积和周长会发生显著变化，商业电池格式需要大面积、高质量、无缺陷的电极。大面积、非堆叠电池能更可靠地确保电极无缺陷，且较低的周长与几何面积比表明电极质量更好，缺陷更少，因此选择大面积电池对电池性能至关重要。

图2. 从低TRL到高TRL电池电极几何面积和周长的变化研究。

中试厂制备的21700圆柱形电芯的电池性能分析

通过大规模实验，展示了试点规模下大面积卷绕电池尺寸的一致性水平。实验中组装并测试了34个圆柱形21700电池，其正负电极尺寸、涂覆面积等几何参数精确设定，整体几何活性面积为1166 cm2。测试结果显示，电池在第三次形成循环中平均放电容量为3.44±0.03 Ah，1 kHz阻抗为12.6±0.3 mΩ，电池质量、放电能量、比能量、能量密度等参数均表现出高度均匀性，表明试点规模制造的可重复性良好。

进一步的1C/1C长期循环稳定性实验表明，17个电池在25℃下循环，每100次循环进行一次0.1C检查循环，测量直流内阻 (DCIR) 以评估电池差异。结果显示，电池循环稳定性存在差异，少数电池容量衰减较快，达到寿命终止标准 (初始1C容量的80%) 的循环次数为800±73，但剔除三个异常电池后，循环次数为825±51。DCIR从第一个循环的37.5±0.5 mΩ·cm2增加到约700个循环后的54.1±0.8 mΩ·cm2，与类似材料的商业锂离子电池老化研究结果一致。研究指出，非完全自动化的电池制造试点工厂存在可变性，导致部分异常电池。

图3. 测试中试规模生产的21700型锂离子电池。

【结论展望】

综上所述，探讨了大面积电池 (如21700圆柱形电池) 在电化学数据可靠性方面优于小面积电池格式的原因，主要是大面积电极可减少边缘效应问题，更准确反映电极质量。研究结果表明，TRL≥4的锂离子电池在中试工厂中可获得一致数据，建议相关研究提供详细信息及参数分布。同时强调，高TRL电池数据不否定低TRL电池格式，小面积电池在研究中仍很重要，但其数据需在合适背景下解释。扩大生产规模是科学发现的关键环节，实际应用能验证新概念的最终影响并推动创新。文章倡导学术界与工业界合作，将实验室小面积电池成果扩大并验证为更具实践性和工业相关性的电池格式，以弥合学术与工业研究差距，促进电池研究与开发的协同进步。

【文献信息】

Rares-George Scurtu, Alessandro Innocenti*, Vanessa Scheck, Mario Maunz, Thomas Waldmann, Markus Hölzle*, Alice Hoffmann, Peter Axmann & Margret Wohlfahrt-Mehrens, From small batteries to big claims,Nature Nanotechnology, https://doi.org/10.1038/s41565-025-01906-3

来源：老郑说科学