近日，德国巴登-符腾堡州太阳能和氢能研究中心Alessandro Innocenti 、Markus Hölzle在锂离子电池性能评估方面取得了重要进展。该团队在《Nature Nanotechnology》期刊上发表了一篇题为“From small batteries to big claims”的研究论文，深入探讨了电池尺寸和面积对性能评估的影响，并提出了从小型电池到大型电池性能放大的标准化框架。通过实验验证了大面积卷绕电池（如21700型圆柱形电池）在性能评估中的优势，表明这类电池能够更可靠地反映电极制造质量和实际应用中的性能表现。他们还强调了在技术成熟度4级及以上的研究中，详细报告电池几何参数和制造工艺的重要性，以促进电池研究和开发的标准化和工业化应用。
该成果以“From small batteries to big claims”为题发表在“Nature Nanotechnology”期刊，第一作者是Rares-George Scurtu。
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【工作要点】
本文强调锂离子电池性能评估中电池尺寸和面积的重要性，并探讨了从小型电池到大型电池的性能放大过程中的关键因素。
1. 电池尺寸与性能的关系
文章指出，电池的几何面积和尺寸对电极质量和数据可靠性有显著影响。小型电池（如扣式电池）通常用于初步评估新型电池材料，但其测试结果在放大到大型电池（如21700型圆柱形电池）时存在局限性。小型电池的高周长与面积比（例如扣式电池为3.33 cm⁻¹）会导致边缘效应显著，而大型电池（如21700型电池，周长与面积比为0.36 cm⁻¹）则能有效减少这种边缘效应，从而提供更可靠的性能数据。
2. 电极质量与电池性能的关联
实验数据表明，大面积卷绕电池（如21700型圆柱形电池）在制造过程中对电极质量的要求更高。大面积电极需要在长距离（如1米以上）内保持均匀的涂层和高质量，这在小型电池中难以实现。大面积电池的制造过程需要严格的质量控制，以确保电极无缺陷，从而提高电池的整体性能和循环稳定性。
3. 从实验室到工业化的挑战
讨论了从小型实验室电池（技术成熟度3级及以下）到大型工业化电池（技术成熟度4级及以上）的放大过程中面临的挑战。这些挑战包括电极涂层的均匀性、电池组装的精确性以及测试条件的标准化。通过实验数据展示了在试点规模生产的21700型圆柱形电池中，如何通过严格控制电极质量和制造工艺来实现高性能和高一致性。
4. 实验验证与数据标准化
通过实验验证了大面积电池在性能评估中的优势。实验中，34个21700型圆柱形电池在相同的材料和测试条件下进行了测试，结果显示这些电池在放电容量、阻抗和循环稳定性方面具有高度一致性。例如，这些电池的平均放电容量为3.44 ± 0.03 Ah，1 kHz阻抗为12.6 ± 0.3 mΩ。这些数据表明，大面积电池能够提供更可靠的性能评估，并且可以作为电池研究和开发的标准化工具。
5. 行业合作与标准化的必要性
文章强调了行业合作和数据标准化的重要性。通过标准化电池性能报告，可以确保不同研究机构和制造商之间的数据一致性和可比性。文章建议在技术成熟度4级及以上的研究中，详细报告电池的几何参数和制造工艺，以促进学术界和工业界之间的协同进步。
综上所述，本文揭示电池尺寸和面积对性能评估的影响，并通过实验数据支持大面积电池在性能放大和工业化应用中的优势。同时，文章强调了标准化和行业合作在电池技术发展中的关键作用。
图1 | 电极生产和电池制备的各个阶段。 鱼骨图展示了电极生产（从1到4）、电池组装（5）和化成（6）阶段可能出现的缺陷和问题来源。
图2 | 从低技术成熟度（TRL）到高技术成熟度（TRL）电池研究中电极几何面积和周长的变化。 a. 不同电池格式的电极周长（蓝色）、电极几何面积（黄色）和周长/几何面积比（灰色）。假设每种电池格式的尺寸、数量和电极类型的信息在补充说明1中提供。虚线仅作为参考。b. 典型21700型圆柱形电池电极、单层软包电池电极以及商业三电极电池（EL-Cell）和2032型扣式电池电极的按比例缩放比较。对于21700型圆柱形电池电极，仅报告一个涂覆面的面积，以便与其他单面涂覆的电极进行更好的比较。
图3 | 试点规模生产的21700锂离子电池测试结果。 a. 一些组装并测试的21700圆柱形锂离子电池的照片。b. 34个圆柱形电池在0.1 C和25℃下的第三次化成循环的放电容量与电池电位曲线，每条线（从紫色到黄色渐变）代表一个不同的电池。c. 34个圆柱形电池的1 kHz阻抗（黄色，化成后，26±1℃）和放电容量（蓝色，0.1 C和25℃下的第三次化成循环）的小提琴图。白色点表示中位数，黑色条表示四分位距，须线表示全范围；较窄区域表示离散度较低。d. 17个电池在25℃下1 C/1 C恒流-恒压（CC-CP）循环的放电容量保持率与循环次数关系，以第一次1 C放电容量为基准，每条线（从紫色到黄色渐变）代表一个不同的电池。80%的寿命末期容量用虚线标记。e. 17个电池在25℃下1 C/1 C恒流-恒压（CC-CP）循环的直流内阻（DCIR）与循环次数关系，每条线（从紫色到黄色渐变）代表一个不同的电池。数据展示至第708次循环，这是所有电池最后一次进行电阻测量的循环。
【结论】
在本文中，讨论了大面积卷绕电池（如21700型圆柱形电池）在获取电化学数据可靠性方面的优势，与小型电池相比，这种优势主要与大面积电极减少边缘效应和准确反映电极制造质量的能力有关。希望本文展示的结果能作为基准，证明在技术成熟度4级及以上的锂离子电池中，通过试点工厂的电极制造和电池组装，可以获得一致的数据。同时，需要强调的是，技术成熟度4级及以上的锂离子电池数据不应被解释为否定技术成熟度较低的其他电池格式。扣式电池和小面积软包电池（无论是单层还是多层）在每个学术或工业电池研究实验室中都发挥着关键作用。然而，使用小面积电极的电池中获得的数据必须在适当的背景下进行解释，以防止过度外推。放大过程涉及具有挑战性的工程和技术活动，这是科学发现的一个基本方面。新提出的概念和想法的最终影响只有在应用于实际环境中时才能被完全理解和欣赏，而这一过程往往以最初未预料到的方式推动创新。倡导学术界和工业研究机构之间加强合作，将实验室规模的小面积锂离子电池（即技术成熟度3级及以下）的结果放大并验证到更具实践性和工业相关性的电池格式中。如此一来，未来或许可以弥合学术研究与工业研究之间的差距，促进电池研究与开发的协调进步。
Scurtu, R.-G., Innocenti, A., Scheck, V., Maunz, M., Waldmann, T., Hölzle, M., Hoffmann, A., Axmann, P., & Wohlfahrt-Mehrens, M. (2025). From small batteries to big claims. Nature Nanotechnology.
https://doi.org/10.1038/s41565-025-01906-3
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