相关研究成果以“Electrochemical Characterization of Battery Materials in 2‐Electrode Half‐Cell Configuration: A Balancing Act Between Simplicity and Pitfalls ”为题与2020年4月12日发表在Batteries & Supercaps上。

1、2-EHCs循环稳定性的挑战

2-EHC测量中最明显但几乎没有考虑到的问题是Li或Na对电极(CE)的长循环行为。当在2-EHC中进行长循环试验时，研究人员通常对活性材料或工作电极(WE)的循环稳定性感兴趣。电池在一个定义的电压范围内循环，直到达到一个较低的放电容量阈值，例如初始容量的80%。根据各自实现的循环次数，对感兴趣的活性材料或电极的长期稳定性进行评估。然而，比较嵌入型电极在2-EHC和两电极全电池(2-EFC)中的测试结果，表明2-EFC并不一定表现出相应的稳定性。

图1比较了使用NCM622 (7 mAh cm-2)作为正极在2-EHC（Li为对电极）和2-EFC（石墨为对电极）中的长循环试验的结果。在2-EFC中，正极材料的比容量随着循环次数的增加而略有下降。相比之下，2-EHC中正极性能更差，在C/1循环阶段比容量迅速下降。结果分析表明锂金属电极处形成大量枝晶(图1c)。在最坏的情况下，这会导致WE和CE之间的微短路，通常在电压曲线中伴随着噪波出现，导致放电容量降低甚至发生完全的失效故障。此外，枝晶阻碍电解液通过隔膜输送(图1e)，增加了内阻，再次导致电池性能下降。因此，对2-EHC的分析并没有得到材料/电极的电化学循环性能的有代表性的结果。当使用2-EHC测试时，NCM622材料的电化学表现往往被低估。

此外，在某些情况下采用2-EHC测试也会高估研究材料的电化学性能。由于碱金属作为对电极可以提供过量的碱金属离子，材料或电极的库仑效率不足并不会限制电池的循环性能。在这种情况下，2-EHC可以获得所谓的“极好的”循环稳定性。但，低库仑效率会导致全电池容量急剧下降。理论上，98%的库仑效率几乎不会影响2-EHC的循环性能；而使用不提供多余锂的实用负极的全电池测试中，35次循环后，容量已经下降到50%。

2、2-EHC的阻抗分析挑战

电化学阻抗谱(EIS)是表征新型电池材料最有力的手段之一。本文以简单的等效电路模拟和低温实际测量为例，通过分析Li金属对电极的定量影响，扩展现有知识，指出使用2-EHC时可能出现的错误解释。

在分析2-EHC时，通常假定工作电极WE (ZWE)的阻抗远大于对电极CE (ZCE)。在这种情况下，CE对电池阻抗的影响可以忽略不计，等效电路(EEC)可以简化为如图2b所示。然而，根据2-EHC的阻抗响应，通常很难判断这个假设是否正确。为了说明这个问题，图2c显示在不同的比例ZWE/ZCE和通用拟合时使用图2a所示的EEC在分析2-EHC时的模拟阻抗谱(EEC图2b)。经过分析，使用简化EEC得到的拟合结果(图2b)并没有反映WE的特性，而是反映了CE的特性。CE在电池阻抗中的比例越大，简化拟合产生的偏差就越大。ZWE~ZCE的模拟结果已经显示出明显的偏差，当ZWE<ZCE时，拟合的交换电流密度远低于模拟所用的输入参数。通过对低温插层动力学的阻抗分析，给出了一个对电极阻抗不可忽略的实例。

图3a显示了NCM523|Li|Li电池在-30℃和SOC=0.8时测量的阻抗谱。在这种情况下，CE对2-EHC测试的阻抗有显著的贡献。如果WE的阻抗足够高，锂对电极的影响在室温下可以被忽略，但在低温下会产生显著的影响。随着温度的降低，CE的影响逐渐增大，如图3d所示。这可能导致对测量结果和有关所研究材料或电极动力学性质的相应结论的歪曲。

3、2- EHC中碱金属电沉积遇到的挑战

在碱金属CE的循环过程中，原始碱金属会被溶解并重新沉积。因此，其形态发生了变化，虽然原始碱金属通常是光滑的(考虑到使用金属箔作为电极)，电沉积会导致金属生长不均匀，其形貌通常被描述为苔藓或树枝状。

4、2-EHC中面临的与串扰效应相关的挑战