無負極全固態電池，最新Nature Energy！

一、【科學背景】

近年來，電動汽車和儲能設備的需求不斷增長，推動了對高能量密度和低成本電池的需求。盡管自1991年首款商用鋰離子電池推出以來，電池技術已有顯著進步，但由于鋰資源分布不均且價格上漲，需尋找替代材料。鈉基材料因其低成本和廣泛的可用性成為一種有潛力的選擇。然而，傳統鈉電池通常在能量密度方面有所妥協。無陽極電池是一種新興的電池結構，不使用陽極活性材料，而是通過電化學方式將堿金屬直接沉積在集流體表面，能實現更高的電池電壓、降低成本并增加能量密度。然而，這類電池在實際應用中面臨兩大挑戰：陽極形態變化的不穩定性和陽極-液體電解質界面的反應問題。通過使用電化學穩定的固體電解質和施加堆棧壓力，實現致密金屬鈉的沉積，有望解決無陽極電池的這兩大問題。

二、【創新成果】

近日，美國加州大學圣地亞哥分校Ying Shirley Meng孟穎團隊在Nature Energy上發表了題為“Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery”的論文，這項研究提出了一種解決方案，通過使用電化學穩定的固體電解質和施加堆棧壓力，實現致密金屬鈉的沉積，克服了兩大挑戰。此外，發現鋁集流體與固體電解質可以實現緊密的固-固接觸，在高面容量和電流密度下實現高度可逆的鈉電鍍和剝離。這種設計以前在使用傳統鋁箔時無法實現。本研究展示了一種無鈉陽極全固態電池，經過數百次循環，表現出穩定的循環性能。

圖1 無陽極原理圖和能量密度計算。a，碳陽極、合金陽極和無陽極配置的電池原理圖。b，各種鈉陽極材料的理論能量密度比較。c，實現無陽極全固態電池的四個要求示意圖。? 2024 Springer Nature

圖2 Al顆粒與Al箔的比較。a，鋁箔在1 mA cm^-2電流密度下的電鍍、剝離行為。b，鋁顆粒在1 mA cm^-2電流密度下的電鍍、剝離行為。c，鋁粉與固體電解質層形成緊密接觸的能力。d，循環鋁箔和鋁顆粒電池前后的阻抗測量。e，使用鋁箔和鋁顆粒集流器時電池區域的壓力分布顯示。f，使用鋁箔循環的臨界電流密度。g，使用鋁顆粒循環的臨界電流密度。h，使用鋁顆粒集流體時，臨界電流密度評估作為室溫下等容量的函數。? 2024 Springer Nature

圖3 各種顆粒化集流器的表征。a，Al的第一周期電鍍/剝離半電池的電壓曲線。b，Cu的電壓曲線。c，Ti的電壓曲線。d，相同的三個電池在30個循環中的電化學性能。e-g，Al的表面形貌的光學輪廓測量。f，Cu的表面形貌的光學輪廓測量。g，Ti的表面形貌的光學輪廓測量。? 2024 Springer Nature

圖4 無負極鈉全固態的全電池循環。a，室溫下的電壓曲線。b，40 ℃下的電壓曲線。c，正極容量作為電流密度的函數。d，無鈉負極全固態全電池的電壓曲線。e，同一電池400次循環的電池容量。? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

該項研究展示了通過電化學穩定的固體電解質和堆棧壓力實現無陽極電池的潛力，有助于解決陽極形態不穩定和界面反應問題。這一突破將對低成本、高能量密度電池的發展產生重要影響，尤其在電動汽車和儲能設備領域具有廣泛的應用前景。此外，該研究為鈉基電池的設計提供了新的思路，證明鈉電池可以在能量密度和成本方面與鋰電池競爭。這將推動無陽極電池技術的發展，并促進未來高性能電池的實現。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9