相關研究成果以“Electrochemical Characterization of Battery Materials in 2‐Electrode Half‐Cell Configuration: A Balancing Act Between Simplicity and Pitfalls ”為題與2020年4月12日發表在Batteries & Supercaps上。

1、2-EHCs循環穩定性的挑戰

2-EHC測量中最明顯但幾乎沒有考慮到的問題是Li或Na對電極(CE)的長循環行為。當在2-EHC中進行長循環試驗時，研究人員通常對活性材料或工作電極(WE)的循環穩定性感興趣。電池在一個定義的電壓范圍內循環，直到達到一個較低的放電容量閾值，例如初始容量的80%。根據各自實現的循環次數，對感興趣的活性材料或電極的長期穩定性進行評估。然而，比較嵌入型電極在2-EHC和兩電極全電池(2-EFC)中的測試結果，表明2-EFC并不一定表現出相應的穩定性。

圖1比較了使用NCM622 (7 mAh cm-2)作為正極在2-EHC（Li為對電極）和2-EFC（石墨為對電極）中的長循環試驗的結果。在2-EFC中，正極材料的比容量隨著循環次數的增加而略有下降。相比之下，2-EHC中正極性能更差，在C/1循環階段比容量迅速下降。結果分析表明鋰金屬電極處形成大量枝晶(圖1c)。在最壞的情況下，這會導致WE和CE之間的微短路，通常在電壓曲線中伴隨著噪波出現，導致放電容量降低甚至發生完全的失效故障。此外，枝晶阻礙電解液通過隔膜輸送(圖1e)，增加了內阻，再次導致電池性能下降。因此，對2-EHC的分析并沒有得到材料/電極的電化學循環性能的有代表性的結果。當使用2-EHC測試時，NCM622材料的電化學表現往往被低估。

此外，在某些情況下采用2-EHC測試也會高估研究材料的電化學性能。由于堿金屬作為對電極可以提供過量的堿金屬離子，材料或電極的庫侖效率不足并不會限制電池的循環性能。在這種情況下，2-EHC可以獲得所謂的“極好的”循環穩定性。但，低庫侖效率會導致全電池容量急劇下降。理論上，98%的庫侖效率幾乎不會影響2-EHC的循環性能；而使用不提供多余鋰的實用負極的全電池測試中，35次循環后，容量已經下降到50%。

2、2-EHC的阻抗分析挑戰

電化學阻抗譜(EIS)是表征新型電池材料最有力的手段之一。本文以簡單的等效電路模擬和低溫實際測量為例，通過分析Li金屬對電極的定量影響，擴展現有知識，指出使用2-EHC時可能出現的錯誤解釋。

在分析2-EHC時，通常假定工作電極WE (ZWE)的阻抗遠大于對電極CE (ZCE)。在這種情況下，CE對電池阻抗的影響可以忽略不計，等效電路(EEC)可以簡化為如圖2b所示。然而，根據2-EHC的阻抗響應，通常很難判斷這個假設是否正確。為了說明這個問題，圖2c顯示在不同的比例ZWE/ZCE和通用擬合時使用圖2a所示的EEC在分析2-EHC時的模擬阻抗譜(EEC圖2b)。經過分析，使用簡化EEC得到的擬合結果(圖2b)并沒有反映WE的特性，而是反映了CE的特性。CE在電池阻抗中的比例越大，簡化擬合產生的偏差就越大。ZWE~ZCE的模擬結果已經顯示出明顯的偏差，當ZWE<ZCE時，擬合的交換電流密度遠低于模擬所用的輸入參數。通過對低溫插層動力學的阻抗分析，給出了一個對電極阻抗不可忽略的實例。

圖3a顯示了NCM523|Li|Li電池在-30℃和SOC=0.8時測量的阻抗譜。在這種情況下，CE對2-EHC測試的阻抗有顯著的貢獻。如果WE的阻抗足夠高，鋰對電極的影響在室溫下可以被忽略，但在低溫下會產生顯著的影響。隨著溫度的降低，CE的影響逐漸增大，如圖3d所示。這可能導致對測量結果和有關所研究材料或電極動力學性質的相應結論的歪曲。

3、2- EHC中堿金屬電沉積遇到的挑戰

在堿金屬CE的循環過程中，原始堿金屬會被溶解并重新沉積。因此，其形態發生了變化，雖然原始堿金屬通常是光滑的(考慮到使用金屬箔作為電極)，電沉積會導致金屬生長不均勻，其形貌通常被描述為苔蘚或樹枝狀。

4、2-EHC中面臨的與串擾效應相關的挑戰