固态电池 “甩掉” 负极，能否一飞冲天？

使用负极不含锂金属的无负极固态电池对于实现高能量密度至关重要。其中，无负极电池的充放电循环机制主要由固-固界面的电-化学-机械现象控制，与传统的锂过量电池相比存在重要的机制差异。

无负极固态电池概述

无负极固态电池是指电池负极没有材料作为Li⁺的宿主。充电时，Li⁺直接在负极集流体通过电化学沉积的方式储存；放电时，Li⁺从负极集流体脱离，通过电解质回到正极。

传统锂过量固态电池的性能主要由锂|固态电解质界面的动态演变所决定。在电池放电过程中，锂从界面被移除（剥离），如果这一过程发生得太快以至于无法补充耗尽的锂，就会形成空洞，导致界面接触的丧失和高阻抗。这种形式的界面接触丧失发生在固态电池中，但在液态电解质电池中不会发生。在随后的充电过程中，不完美的接触会诱导锂的不均匀沉积，空洞周围的电流集中会导致枝晶和丝状生长，穿透固态电解质并导致短路。

与锂过量固态电池一样，无负极固态电池的行为主要由界面演变和退化现象决定。然而，与锂过量情况不同，无负极系统对其他因素更为敏感。例如，第一次充电期间的锂沉积由在异质集流体（如铜箔）上的成核和生长控制；集流体|固态电解质界面的局部化学-机械环境可以影响沉积过程的均匀性和锂的形态。为了实现高能量密度和长循环寿命，无负极电池的库仑效率应该非常高（>99.95%），系统中没有多余的锂来补充任何因副反应而损失的锂。这些因素都与无负极固态电池中的基本电-化学-机械现象有关。

影响无负极固态电池中锂初始沉积的因素

固态电解质与集流体界面处的化学-机械相互作用影响锂的初始成核和随后的生长行为，这反过来又影响后续的循环稳定性。该界面处的约束产生的机械应力可以导致锂的塑性变形，影响锂形态的演变。

在无负极固态电池中，负极集流体与固态电解质之间的接触形成和粘附力对锂的成核和生长至关重要，不同固态电解质的机械性能决定了界面形成所需的方法。

锂沉积过程中界面应力的演变会影响多种现象，如界面剥离、集流体变形或断裂、固态电解质内裂纹扩展等，成核行为影响锂的微观结构，电流密度、温度等因素会影响成核密度和晶粒尺寸，进而影响沉积层均匀性。

堆叠压力对锂的机械蠕变有促进作用，但非均匀堆叠压力可能导致锂的非均匀成核和生长，以及固态电解质的断裂。

集流体的厚度也会影响锂的生长，薄集流体易发生机械故障，较厚集流体有助于锂沉积物的横向生长，但会增加电池质量和体积。

成核锂与集流体界面处的热力学、粘附和润湿行为会影响锂的生长，锂在铜上的沉积层不均匀可能会降低库仑效率并促进锂枝晶的形成，锂与各种界面相成分或异质集流体之间的粘附可能会影响接触损失动力学和锂形态的演变。

影响无负极固态电池充放电循环行为的因素

无负极固态电池在循环过程中必须保持高库仑效率，这是液态电解质和无负极固态电池的共同要求。由于负极没有多余的锂，因此需要高平均库仑效率（>99.95%以实现1000次循环），其在界面生长或非活性锂形成而损失的锂都代表了容量的损失。

锂过量电池的库仑效率通常低于锂离子电池，特别是对于基于液态电解质的锂金属电池，锂与液体电解质的持续副反应导致库仑效率通常<99.6%。固态电池提供了一条潜在的提高库仑效率的途径，固态电解质相比液态电解质显示出增强的化学稳定性。此外，如果能够控制锂形态的演变，那么在循环过程中可能会实现更高的库仑效率。

无负极锂金属电池团体标准问世

2024年10月8日，中关村标准化协会正式公布了电池行业首个无负极锂金属电池团体标准。该标准由中关村标准化协会技术委员会提出并归口，由金羽新能、北京大学、南方科技大学、中电投融和新能源、华能清洁能源研究院等单位联合起草。

该标准对无负极锂金属电池及电池组的术语与定义、测试条件、电性能要求、电气安全要求、环境安全要求、测试方法、质量评定、标识、包装、运输与储存等内容进行了规范性定义。标准的出台填补了电池行业在无负极锂金属电池管理标准上的空白，发挥了企业、高校在行业中的示范作用，有助于加强无负极电池这一新兴品类的监管和规范水平、推动电池行业高质量发展。

无负极固态电池进展实例

2024年1月，大众集团子公司PowerCo的发布公告称，PowerCo通过亲手实验证实，QuantumScape的无负极固态电池样本，能够做到充放电1000次，且在测试完成时电池“几乎没有老化”，仍保持95%的容量（放电能量保持率）。

2024年8月，美国公司ION Storage Systems（ION）宣布成功开发出“无阳极固态电池”。该电池在无加压状态下完成了800次充放电循环，可望商业化和量产。

2024年8月，金羽新能推出“无际”系列准固态无负极电池。该系列电池通过无负极（无阳极）技术提高了安全性和可制造性，同时减少了生产工序和成本。这种技术还显著降低了电池的体积和重量，提高了能量密度。

小结

尽管无负极固态电池研发尚处于早期阶段，但已引发全球科研团队与企业的高度关注。目前，其面临着诸多挑战，如锂金属沉积不均匀易导致短路，电极与电解质界面稳定性差影响电池寿命等。但科研人员正从材料创新、结构优化等多方向发力。随着技术瓶颈的突破，无负极固态电池有望重塑能源存储格局，为新能源汽车、便携电子设备等领域带来革命性变革。

参考来源：

孙培凇等.无负极锂金属电池的挑战与发展

做好无负极电池，这几点必须关注.能源学人

无负极固态电池或成2024年第一匹黑马.电脑报

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