中國粉體網(wǎng)訊  使用負(fù)極不含鋰金屬的無負(fù)極固態(tài)電池對于實現(xiàn)高能量密度至關(guān)重要。其中，無負(fù)極電池的充放電循環(huán)機制主要由固-固界面的電-化學(xué)-機械現(xiàn)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(fù)極固態(tài)電池概述

無負(fù)極固態(tài)電池是指電池負(fù)極沒有材料作為Li⁺的宿主。充電時，Li⁺直接在負(fù)極集流體通過電化學(xué)沉積的方式儲存；放電時，Li⁺從負(fù)極集流體脫離，通過電解質(zhì)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(zhì)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(dǎo)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(zhì)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(dǎo)鋰的不均勻沉積，空洞周圍的電流集中會導(dǎo)致枝晶和絲狀生長，穿透固態(tài)電解質(zhì)并導(dǎo)致短路。

與鋰過量固態(tài)電池一樣，無負(fù)極固態(tài)電池的行為主要由界面演變和退化現(xiàn)象決定。然而，與鋰過量情況不同，無負(fù)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(zhì)集流體（如銅箔）上的成核和生長控制；集流體|固態(tài)電解質(zhì)界面的局部化學(xué)-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(xiàn)高能量密度和長循環(huán)壽命，無負(fù)極電池的庫侖效率應(yīng)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(yīng)而損失的鋰。這些因素都與無負(fù)極固態(tài)電池中的基本電-化學(xué)-機械現(xiàn)象有關(guān)。

影響無負(fù)極固態(tài)電池中鋰初始沉積的因素

固態(tài)電解質(zhì)與集流體界面處的化學(xué)-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(chǎn)生的機械應(yīng)力可以導(dǎo)致鋰的塑性變形，影響鋰形態(tài)的演變。

在無負(fù)極固態(tài)電池中，負(fù)極集流體與固態(tài)電解質(zhì)之間的接觸形成和粘附力對鋰的成核和生長至關(guān)重要，不同固態(tài)電解質(zhì)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(yīng)力的演變會影響多種現(xiàn)象，如界面剝離、集流體變形或斷裂、固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)裂紋擴展等，成核行為影響鋰的微觀結(jié)構(gòu)，電流密度、溫度等因素會影響成核密度和晶粒尺寸，進(jìn)而影響沉積層均勻性。

堆疊壓力對鋰的機械蠕變有促進(jìn)作用，但非均勻堆疊壓力可能導(dǎo)致鋰的非均勻成核和生長，以及固態(tài)電解質(zhì)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(zhì)量和體積。

成核鋰與集流體界面處的熱力學(xué)、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(jìn)鋰枝晶的形成，鋰與各種界面相成分或異質(zhì)集流體之間的粘附可能會影響接觸損失動力學(xué)和鋰形態(tài)的演變。

影響無負(fù)極固態(tài)電池充放電循環(huán)行為的因素

無負(fù)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(zhì)和無負(fù)極固態(tài)電池的共同要求。由于負(fù)極沒有多余的鋰，因此需要高平均庫侖效率（>99.95%以實現(xiàn)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(zhì)的鋰金屬電池，鋰與液體電解質(zhì)的持續(xù)副反應(yīng)導(dǎo)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(zhì)相比液態(tài)電解質(zhì)顯示出增強的化學(xué)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(xiàn)更高的庫侖效率。

無負(fù)極鋰金屬電池團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)問世

2024年10月8日，中關(guān)村標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會正式公布了電池行業(yè)首個無負(fù)極鋰金屬電池團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)由中關(guān)村標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會技術(shù)委員會提出并歸口，由金羽新能、北京大學(xué)、南方科技大學(xué)、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(biāo)準(zhǔn)對無負(fù)極鋰金屬電池及電池組的術(shù)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(zhì)量評定、標(biāo)識、包裝、運輸與儲存等內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)范性定義。標(biāo)準(zhǔn)的出臺填補了電池行業(yè)在無負(fù)極鋰金屬電池管理標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(zhì)量發(fā)展。

無負(fù)極固態(tài)電池進(jìn)展實例

2024年1月，大眾集團(tuán)子公司PowerCo的發(fā)布公告稱，PowerCo通過親手實驗證實，QuantumScape的無負(fù)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(chǎn)。

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

小結(jié)

盡管無負(fù)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(tuán)隊與企業(yè)的高度關(guān)注。目前，其面臨著諸多挑戰(zhàn)，如鋰金屬沉積不均勻易導(dǎo)致短路，電極與電解質(zhì)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(jié)構(gòu)優(yōu)化等多方向發(fā)力。隨著技術(shù)瓶頸的突破，無負(fù)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(shè)備等領(lǐng)域帶來革命性變革。

參考來源：

孫培凇等.無負(fù)極鋰金屬電池的挑戰(zhàn)與發(fā)展

做好無負(fù)極電池，這幾點必須關(guān)注.能源學(xué)人

無負(fù)極固態(tài)電池或成2024年第一匹黑馬.電腦報

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）

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