中國粉體網訊  使用負極不含鋰金屬的無負極固態(tài)電池對于實現高能量密度至關重要。其中，無負極電池的充放電循環(huán)機制主要由固-固界面的電-化學-機械現象控制，與傳統(tǒng)的鋰過量電池相比存在重要的機制差異。

無負極固態(tài)電池概述

無負極固態(tài)電池是指電池負極沒有材料作為Li⁺的宿主。充電時，Li⁺直接在負極集流體通過電化學沉積的方式儲存；放電時，Li⁺從負極集流體脫離，通過電解質回到正極。

傳統(tǒng)鋰過量固態(tài)電池的性能主要由鋰|固態(tài)電解質界面的動態(tài)演變所決定。在電池放電過程中，鋰從界面被移除（剝離），如果這一過程發(fā)生得太快以至于無法補充耗盡的鋰，就會形成空洞，導致界面接觸的喪失和高阻抗。這種形式的界面接觸喪失發(fā)生在固態(tài)電池中，但在液態(tài)電解質電池中不會發(fā)生。在隨后的充電過程中，不完美的接觸會誘導鋰的不均勻沉積，空洞周圍的電流集中會導致枝晶和絲狀生長，穿透固態(tài)電解質并導致短路。

與鋰過量固態(tài)電池一樣，無負極固態(tài)電池的行為主要由界面演變和退化現象決定。然而，與鋰過量情況不同，無負極系統(tǒng)對其他因素更為敏感。例如，第一次充電期間的鋰沉積由在異質集流體（如銅箔）上的成核和生長控制；集流體|固態(tài)電解質界面的局部化學-機械環(huán)境可以影響沉積過程的均勻性和鋰的形態(tài)。為了實現高能量密度和長循環(huán)壽命，無負極電池的庫侖效率應該非常高（>99.95%），系統(tǒng)中沒有多余的鋰來補充任何因副反應而損失的鋰。這些因素都與無負極固態(tài)電池中的基本電-化學-機械現象有關。

影響無負極固態(tài)電池中鋰初始沉積的因素

固態(tài)電解質與集流體界面處的化學-機械相互作用影響鋰的初始成核和隨后的生長行為，這反過來又影響后續(xù)的循環(huán)穩(wěn)定性。該界面處的約束產生的機械應力可以導致鋰的塑性變形，影響鋰形態(tài)的演變。

在無負極固態(tài)電池中，負極集流體與固態(tài)電解質之間的接觸形成和粘附力對鋰的成核和生長至關重要，不同固態(tài)電解質的機械性能決定了界面形成所需的方法。

鋰沉積過程中界面應力的演變會影響多種現象，如界面剝離、集流體變形或斷裂、固態(tài)電解質內裂紋擴展等，成核行為影響鋰的微觀結構，電流密度、溫度等因素會影響成核密度和晶粒尺寸，進而影響沉積層均勻性。

堆疊壓力對鋰的機械蠕變有促進作用，但非均勻堆疊壓力可能導致鋰的非均勻成核和生長，以及固態(tài)電解質的斷裂。

集流體的厚度也會影響鋰的生長，薄集流體易發(fā)生機械故障，較厚集流體有助于鋰沉積物的橫向生長，但會增加電池質量和體積。

成核鋰與集流體界面處的熱力學、粘附和潤濕行為會影響鋰的生長，鋰在銅上的沉積層不均勻可能會降低庫侖效率并促進鋰枝晶的形成，鋰與各種界面相成分或異質集流體之間的粘附可能會影響接觸損失動力學和鋰形態(tài)的演變。

影響無負極固態(tài)電池充放電循環(huán)行為的因素

無負極固態(tài)電池在循環(huán)過程中必須保持高庫侖效率，這是液態(tài)電解質和無負極固態(tài)電池的共同要求。由于負極沒有多余的鋰，因此需要高平均庫侖效率（>99.95%以實現1000次循環(huán)），其在界面生長或非活性鋰形成而損失的鋰都代表了容量的損失。

鋰過量電池的庫侖效率通常低于鋰離子電池，特別是對于基于液態(tài)電解質的鋰金屬電池，鋰與液體電解質的持續(xù)副反應導致庫侖效率通常<99.6%。固態(tài)電池提供了一條潛在的提高庫侖效率的途徑，固態(tài)電解質相比液態(tài)電解質顯示出增強的化學穩(wěn)定性。此外，如果能夠控制鋰形態(tài)的演變，那么在循環(huán)過程中可能會實現更高的庫侖效率。

無負極鋰金屬電池團體標準問世

2024年10月8日，中關村標準化協(xié)會正式公布了電池行業(yè)首個無負極鋰金屬電池團體標準。該標準由中關村標準化協(xié)會技術委員會提出并歸口，由金羽新能、北京大學、南方科技大學、中電投融和新能源、華能清潔能源研究院等單位聯(lián)合起草。

該標準對無負極鋰金屬電池及電池組的術語與定義、測試條件、電性能要求、電氣安全要求、環(huán)境安全要求、測試方法、質量評定、標識、包裝、運輸與儲存等內容進行了規(guī)范性定義。標準的出臺填補了電池行業(yè)在無負極鋰金屬電池管理標準上的空白，發(fā)揮了企業(yè)、高校在行業(yè)中的示范作用，有助于加強無負極電池這一新興品類的監(jiān)管和規(guī)范水平、推動電池行業(yè)高質量發(fā)展。

無負極固態(tài)電池進展實例

2024年1月，大眾集團子公司PowerCo的發(fā)布公告稱，PowerCo通過親手實驗證實，QuantumScape的無負極固態(tài)電池樣本，能夠做到充放電1000次，且在測試完成時電池“幾乎沒有老化”，仍保持95%的容量（放電能量保持率）。

2024年8月，美國公司ION Storage Systems（ION）宣布成功開發(fā)出“無陽極固態(tài)電池”。該電池在無加壓狀態(tài)下完成了800次充放電循環(huán)，可望商業(yè)化和量產。

2024年8月，金羽新能推出“無際”系列準固態(tài)無負極電池。該系列電池通過無負極（無陽極）技術提高了安全性和可制造性，同時減少了生產工序和成本。這種技術還顯著降低了電池的體積和重量，提高了能量密度。

小結

盡管無負極固態(tài)電池研發(fā)尚處于早期階段，但已引發(fā)全球科研團隊與企業(yè)的高度關注。目前，其面臨著諸多挑戰(zhàn)，如鋰金屬沉積不均勻易導致短路，電極與電解質界面穩(wěn)定性差影響電池壽命等。但科研人員正從材料創(chuàng)新、結構優(yōu)化等多方向發(fā)力。隨著技術瓶頸的突破，無負極固態(tài)電池有望重塑能源存儲格局，為新能源汽車、便攜電子設備等領域帶來革命性變革。

參考來源：

孫培凇等.無負極鋰金屬電池的挑戰(zhàn)與發(fā)展

做好無負極電池，這幾點必須關注.能源學人

無負極固態(tài)電池或成2024年第一匹黑馬.電腦報

（中國粉體網編輯整理/蘇簡）

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