无负极电池:从零到一
无负极电池技术是对传统锂电池结构的颠覆式创新,通过放弃传统石墨/锂金属负极活性材料,直接利用正极材料自身的活性锂储存,形成动态可逆的“沉积/溶解”原位循环机制,将全电池能量密度推向极致,被视为高能量密度锂金属电池的终极选择。
无负极电池:高能量密度锂电池的终极选择
无负极电池技术是一种高能量密度的锂金属电池。传统锂离子电池以石墨为负极,理论容量较低(372mAh/g),无法满足日益增长的能源需求。无负极电池以理论比容量更高(3890mAh/g)的锂金属材料替代石墨,降低电池系统质量,提高电化学循环性能。充电时,正极层状氧化物晶格提供脱嵌的锂离子,在负极铜集流体表面还原形成负极锂沉积层;放电时,锂金属溶解回到正极结构,利用动态可逆的“沉积/溶解”机制原位循环利用金属锂。
无负极电池:能量密度突破,降本潜力显著
无负极电池实现了锂离子电池能量密度的突破,综合性能优势显著。理论质量能量密度和体积能量密度分别达到650Wh/Kg和1300Wh/L,相比传统锂离子电池增幅达110%以上。西湖大学王建辉团队制造的无负极锂金属软包电池能量密度达到508Wh/Kg和1668Wh/L,在80%放电深度上稳定充放电循环突破350次,支持2650W/kg超高功率下持续放电超过130秒。
无负极电池可以显著降低电池成本和制作工艺难度。彻底摒弃了负极活性材料,节省了负极材料尤其是昂贵的锂金属材料成本,单位瓦时成本相比商用石墨基锂离子电池还可降低15%至25%。同时,简化了电池结构,不再需要制备石墨负极,缩减了电池制造流程,有助于制备和开发更具经济优势的高性能电池。
无负极电池:科研加速突破,技术迭代迅猛
抑制锂枝晶生长是突破无负极电池技术瓶颈的关键。锂枝晶的形成与生长以及“死锂”的堆积,最终引发电极形状的剧烈变化,从而加速电池的失效,降低循环寿命和电池的库仑效率。此外,若锂枝晶刺穿隔膜,容易造成电池内部短路,诱发热失控,并最终导致爆炸。抑制锂枝晶生长的技术路线主要包括集流体改性、电解液改性、添加额外锂源、循环参数设计等。
铜基集流体改性通过亲锂材料修饰引导锂离子均匀成核抑制锂枝晶。采用非金属材料(如碳、硅等)和金属类等亲锂材料修饰界面,降低锂沉积的势垒,并作用于铜集流体表面的锂成核位点,引导锂均匀且紧凑地成核,从而抑制锂枝晶的生长。
穿梭耦合电解液技术突破推动高能量密度无负极电池迈向量产。西湖大学王建辉团队研制的“穿梭耦合电解液”(BAFF电解液),能在负极表面形成一层约8nm厚、亚纳米级均匀的固态电解质界面膜,从而实现平面沉积溶解,从根源上避免枝晶产生,向高能量密度电池的大规模量产迈出了坚实一步。
宁德时代:无负极电池布局先行者
宁德时代发布“自生成负极技术”,领衔无负极电池发展。该技术通过无负极电池技术,不再使用传统石墨负极材料,而是让元素以金属的形式沉积在集流体上,电池体积能量密度提升60%,重量能量密度提升50%。
宁德时代在自生成负极技术领域取得三项技术突破:一是通过调整纳米级的界面组分和结构,离子传导速度增加了100倍;二是构建了自生成负极界面保护层,自生成负极电池存储性能提升300%;三是采用了高热稳定的新型有机溶剂体系,电芯热稳定性提升了80%。
宁德时代自生成负极技术灵活适配各种材料体系。钠离子体系下自生成负极电池体积能量密度可达350Wh/L,磷酸盐体系自生成负极电池可达680-780Wh/L,三元体系自生成负极电池可达1000Wh/L以上。
宁德时代锂金属电池科研取得重大突破。对醚基非水电解液体系中锂金属电池的界面反应进行多种纳米尺度定量检测,提出了一种新型电解液配比策略。贫电解液锂金属单层叠片软包电池可在25℃下稳定完成483次充放电循环,容量保持率为77%。