乔世璋院士：无负极钠电池商业化前景

锂电联盟会长 2024-02-05 12:30 1030浏览 0评论 0点赞

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【研究背景】

无负极钠电池（AFSBs），不仅具有卓越的能量密度，而且在经济上更为实惠，因此成为适应清洁能源社会的理想储能设备。然而，对于实现产品化的AFSBs，目前对其了解仍相对有限。我们尚不清楚它的能量密度能达到何种水平，成本是否真正具备竞争优势，潜在市场规模有多大，以及限制其发展的关键因素是什么。对于这些问题，目前尚未形成全面的答案，而这些答案正是学术界，工业界，资本市场以及各国政府所关心的。

【工作简介】

近日，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋课题组通过以商业化4680电池设计为基础，全面评估了AFSBs的能量密度范围，并通过与锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）进行系统性比较，揭示了AFSBs在材料成本和潜在市场规模方面的优势。针对AFSBs发展中的关键问题，尤其是循环寿命相对较差的问题，研究团队通过研究体系中活性钠离子的存储量，建立了AFSBs的循环寿命模型。与此同时，论文还总结了最新关于AFSBs的研究进展。该文章以Prospects for practical anode-free sodium batteries为题，发表在国际顶级期刊Materials Today上。陈宇杰，叶超为本文第一作者。

【内容表述】

1 器件层面能量密度分析

为了研究AFSBs的未来发展，必须搞清楚以该体系为的储能产品的器件能量密度范围，并与目前已经商业化的锂离子电池进行对比，才能回答上述问题。在该前瞻性文章中，作者通过选择商业化的4680圆柱电池的设计，将无负极钠电池体系与锂离子电池体系，钠离子电池体系进行了系统的，统一的对比，从而在电池产品层面揭示了无负极钠电池的能量密度。其结果显示，无负极钠电池在器件层面的重量能量密度范围与商业化的锂离子电池相当，体积能量密度上还略有优势，其两项指标都远超与钠离子电池。其主要优势来自于负极钠容量的提升。

Figure 1 Device energy density analyses (a) Energy density comparison for LIBs: LiNi0.8 Co0.1Mn0.1O2 (NCM) || synthetic Graphite (Gr), LFP||Gr, SIBs: sodium vanadium phosphate (NVP) || hard carbon (HC), Prussian blue (PB) ||HC, P2 type sodium transitional metal oxide (NNM) ||HC, and AFSBs: NVP|| Al, PB||Al, NNM||Al. (b) Parameter analysis for energy density and (c) Device mass distribution for NCM||Gr, NNM||HC, and NNM||Al.

2 成本及市场规模分析

基于以上能量密度分析，作者利用2023年8月的原材料大宗交易数据，深入剖析了无负极钠电池的主要原材料成本构成，并与锂离子电池、钠离子电池进行了全面对比。研究结果表明，仅在原材料层面，无负极钠电池相较于三元锂离子体系具有超过15%的成本优势。其中，正极材料成本占比超过80%，而未来的量产降本将更加凸显其价格竞争力。相对于现有的锂离子电池产业，无负极钠电池制造工艺更为简单（取消了负极制造过程），产业链结构更加简洁（正负极共用箔材，无负极原材料需求），同时稳定性更强（钠资源丰富、分散均匀），从而保障了价格的可靠性，有助于提升能源安全性。基于其卓越的能量密度和成本表现，作者预测其潜在市场规模将超过US$107bilion。

Figure 2 Material cost and market analysis (a) Comparison of cost in LIBs (NCM||Gr), SIBs (NFM||HC) and AFSBs (NFM||Al). (b) Energy density exhibited and market for battery technologies.

3 寿命模型建立

AFSBs面临的主要挑战在于其寿命问题，快速的容量损失使得无负极钠电池的循环寿命急剧缩短，这是该技术难以跨足实际应用的瓶颈。为了克服这一问题，作者通过对无负极钠电池体系中的活性钠离子数量进行深入分析，建立了一种简化的寿命模型，阐明了循环寿命与库伦效率之间的紧密关系。研究结果揭示，提高活性钠离子的循环库伦效率是增加循环寿命的最为有效的手段。然而，要达到1000次循环，需要超过99.97%的活性离子循环库伦效率，目前尚无研究报道能够达到这一水平。另外，减少首次SEI成膜时钠离子的消耗以及额外补充钠离子也被认为是提升循环寿命的有效途径。

Figure 3 Simulated capacity retention curve for AFSBs. (a) ‘Ideal’ cathode||practical anode with CEion of 95%, 99%, 99.7%, 99.9% and 99.97%, respectively. (b) Ideal cathode||practical anode with CEion = 99.9% and ICEion = 95%, 85% and 75%, respectively. (c) Practical battery with active sites cycling CE (CEsite) = 99.998% and active site initial coulombic efficiency of 90%, 85%, and 80%, respectively, and ICEion = 95%, CEion = 99.97% and 99.9%.

【前瞻性观点】

无负极钠电池凭借其在能量密度和成本方面的显著优势，将在广泛的应用市场中发挥巨大作用。然而，在AFSBs的发展过程中，作者指出以下问题需要得到解决：

1)提升循环性能：为了成功实现从实验室规模到工业规模的过渡，必须大幅度提高循环性能。这可以通过创新电解液、结合特定添加剂和修改阳极集流体等手段来改进活性钠离子的循环稳定性。另外，人工形成的SEI层可以减少活性钠离子的损失，而使用富含钠的阴极或进行预钠化可以增加体系中的活性钠离子总量。

2)降低安全风险：为了减少充电过程中负极产生的钠金属带来的安全风险，可以采取多种措施，包括开发高安全性的隔膜和隔膜涂层、研发阻燃电解质添加剂或采用固态电解质，以及使用钢壳提高单体电池的安全性，并结合使用隔热垫来限制热传播。

3)定制电池组件：为了适应充放电期间体积变化，需要定制适用于AFSBs的电池组件。这可能包括具有恒定厚度的3D集流体，以及与电池管理系统协同使用的定制电池外壳，以建立稳定的恒压力模组。

4)开发先进的表征方法：发展先进的表征方法，以识别故障机制，并实现有针对性的解决方案和电池化学的优化。

5)开发阴极材料：为了进一步发挥AFSBs的优势，需要开发高能量密度且低成本的阴极材料。

【文献详情】

“Prospects for practical anode-free sodium batteries”；

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702124000038

【作者简介】

乔世璋院士现任澳大利亚阿德莱德大学化工与材料学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电池、电催化、光催化等。作为通讯联系人，在 Nature、Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials 等国际顶级期刊发表学术论文超过530篇，引用超过12万次，h指数为179。

乔世璋院士已获得多项重要奖励与荣誉，包括2023年澳大利亚研究理事会工业界桂冠学者（ARC Australian Industry Laureate Fellow），2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。

乔教授是澳大利亚科学院院士、国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/ 汤姆森路透（Thomson Reuters）化学、材料科学和环境与生态三个领域的高被引科学家。

乔世璋院士主页：

https://www.adelaide.edu.au/directory/s.qiao#

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