近年来，电动汽车和储能设备的需求不断增长，推动了对高能量密度和低成本电池的需求。尽管自1991年首款商用锂离子电池推出以来，电池技术已有显著进步，但由于锂资源分布不均且价格上涨，需寻找替代材料。钠基材料因其低成本和广泛的可用性成为一种有潜力的选择。然而，传统钠电池通常在能量密度方面有所妥协。无阳极电池是一种新兴的电池结构，不使用阳极活性材料，而是通过电化学方式将碱金属直接沉积在集流体表面，能实现更高的电池电压、降低成本并增加能量密度。然而，这类电池在实际应用中面临两大挑战：阳极形态变化的不稳定性和阳极-液体电解质界面的反应问题。通过使用电化学稳定的固体电解质和施加堆栈压力，实现致密金属钠的沉积，有望解决无阳极电池的这两大问题。
近日，美国加州大学圣地亚哥分校Ying Shirley Meng孟颖团队在Nature Energy上发表了题为“Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery”的论文，这项研究提出了一种解决方案，通过使用电化学稳定的固体电解质和施加堆栈压力，实现致密金属钠的沉积，克服了两大挑战。此外，发现铝集流体与固体电解质可以实现紧密的固-固接触，在高面容量和电流密度下实现高度可逆的钠电镀和剥离。这种设计以前在使用传统铝箔时无法实现。本研究展示了一种无钠阳极全固态电池，经过数百次循环，表现出稳定的循环性能。
图1、无阳极原理图和能量密度计算。a，碳阳极、合金阳极和无阳极配置的电池原理图。b，各种钠阳极材料的理论能量密度比较。c，实现无阳极全固态电池的四个要求示意图。© 2024 Springer Nature
图2、Al颗粒与Al箔的比较。a，铝箔在1 mA cm-2电流密度下的电镀、剥离行为。b，铝颗粒在1 mA cm-2电流密度下的电镀、剥离行为。c，铝粉与固体电解质层形成紧密接触的能力。d，循环铝箔和铝颗粒电池前后的阻抗测量。e，使用铝箔和铝颗粒集流器时电池区域的压力分布显示。f，使用铝箔循环的临界电流密度。g，使用铝颗粒循环的临界电流密度。h，使用铝颗粒集流体时，临界电流密度评估作为室温下等容量的函数。© 2024 Springer Nature
图3、各种颗粒化集流器的表征。a，Al的第一周期电镀/剥离半电池的电压曲线。b，Cu的电压曲线。c，Ti的电压曲线。d，相同的三个电池在30个循环中的电化学性能。e-g，Al的表面形貌的光学轮廓测量。f，Cu的表面形貌的光学轮廓测量。g，Ti的表面形貌的光学轮廓测量。© 2024 Springer Nature
图4、无负极钠全固态的全电池循环。a，室温下的电压曲线。b，40 ℃下的电压曲线。c，正极容量作为电流密度的函数。d，无钠负极全固态全电池的电压曲线。e，同一电池400次循环的电池容量。© 2024 Springer Nature
该项研究展示了通过电化学稳定的固体电解质和堆栈压力实现无阳极电池的潜力，有助于解决阳极形态不稳定和界面反应问题。这一突破将对低成本、高能量密度电池的发展产生重要影响，尤其在电动汽车和储能设备领域具有广泛的应用前景。此外，该研究为钠基电池的设计提供了新的思路，证明钠电池可以在能量密度和成本方面与锂电池竞争。这将推动无阳极电池技术的发展，并促进未来高性能电池的实现。
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https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9
