在全球能源轉型的大背景下，電池技術的創(chuàng)新正成為推動可持續(xù)發(fā)展的關鍵力量。近期，科學家們在這一領域取得了突破性進展，他們研制出了全球首個無陽極鈉固態(tài)電池。這項創(chuàng)新不僅有望徹底改變電池行業(yè)的格局，還可能為我們帶來更加廉價、高效、安全的能源存儲解決方案。

無陽極鈉固態(tài)電池結構示意圖，從左至右分別為石墨陽極、合金陽極以及無陽極固態(tài)電池

（圖片來源：參考文獻1）

從鋰到鈉：電池革命的新方向

在過去的幾十年里，鋰離子電池憑借其高能量密度的優(yōu)勢，已經成為電動汽車和移動設備的標準配置。然而，隨著電池需求急劇增長，鋰資源的稀缺性和日益上漲的價格開始引發(fā)人們的擔憂。這種情況促使科學家們不斷尋找替代方案。鈉元素憑借其獨特的優(yōu)勢，逐漸成為了一個極具吸引力的選擇。

鈉在地殼中的儲量約為鋰的1000倍，這一驚人的數(shù)字意味著鈉電池的原材料供應將更加充足和穩(wěn)定。豐富的儲量將大大降低電池的生產成本，使得大規(guī)模應用成為可能。此外，鈉的開采和提煉過程對環(huán)境的影響相對較小，更加符合可持續(xù)發(fā)展的要求。這些優(yōu)勢使得鈉基電池技術成為未來能源存儲領域的一個重要發(fā)展方向。

然而，轉向鈉基電池并非沒有挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的鈉離子電池在能量密度和循環(huán)壽命等方面仍然難以與鋰離子電池相媲美。這就需要科學家們開發(fā)新的電池架構和材料來突破這些限制。正是在這種背景下，無陽極電池設計應運而生，為鈉電池技術帶來了新的希望和可能性。

手機中的鋰聚合物電池 （圖片來源：維基百科）

無陽極設計：顛覆傳統(tǒng)的創(chuàng)新思路

要理解無陽極電池的革命性，我們首先需要回顧傳統(tǒng)電池的基本結構。傳統(tǒng)電池通常包含陰極、陽極和電解質三個主要部分。在充電過程中，離子從陰極遷移到陽極并在那里儲存；放電時，離子則從陽極通過電解質流回陰極，產生電流。這種設計已經使用了數(shù)十年，但也面臨著諸如能量密度限制、安全性問題等挑戰(zhàn)。

無陽極電池的創(chuàng)新之處在于完全去除了陽極這一組件。在這種新型設計中，充電時，離子直接在集電器表面通過電化學沉積的方式儲存；放電時，離子從集電器表面脫離，通過電解質回到陰極。這種看似簡單的變化實際上帶來了一系列顯著的優(yōu)勢：

首先，去除陽極減少了電池的重量和體積，從而提高了整體的能量密度。這意味著相同大小的電池可以存儲更多的能量，或者相同容量的電池可以做得更小更輕。其次，簡化的結構降低了生產成本，這對于大規(guī)模商業(yè)化至關重要。此外，無陽極設計還可以實現(xiàn)更高的電池電壓，進一步提升能量密度。

然而，無陽極設計也帶來了新的技術難題。最主要的挑戰(zhàn)是如何在沒有傳統(tǒng)陽極的情況下，確保電解質和集電器之間保持良好的接觸。這對于離子的有效傳輸至關重要，直接影響電池的性能和壽命。為了克服這一難題，研究團隊采用了兩項關鍵創(chuàng)新：固態(tài)電解質的應用和創(chuàng)新的集電器設計。

固態(tài)電解質：安全性和性能的雙重保障

在無陽極鈉固態(tài)電池中，研究團隊選擇使用固態(tài)電解質而非傳統(tǒng)的液體電解質。這一選擇不僅解決了無陽極設計中的關鍵問題，還帶來了一系列額外的優(yōu)勢。

固態(tài)電解質最顯著的特點是安全性高。與易燃的液體電解質不同，固態(tài)電解質大大降低了電池起火或爆炸的風險。這一特性對于電動汽車和大規(guī)模能源存儲系統(tǒng)尤為重要，可以顯著提高整個系統(tǒng)的安全性能。

其次，固態(tài)電解質提高了電池的穩(wěn)定性和壽命。相比液體電解質，固態(tài)電解質不會產生有害的界面反應，這些反應通常會導致電池性能隨時間推移而逐漸下降。因此，使用固態(tài)電解質的電池可以保持更長時間的高性能狀態(tài)，延長了電池的有效使用壽命。

此外，固態(tài)電解質在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。這意味著使用這種電池的設備可以在更廣泛的溫度范圍內正常工作，拓展了電池的應用場景。例如，在極端氣候條件下的戶外設備或工業(yè)應用中，這種特性將發(fā)揮重要作用。

然而，固態(tài)電解質的應用也帶來了新的挑戰(zhàn)。最主要的問題是如何確保固態(tài)電解質與電極材料之間的良好接觸。這個問題在無陽極設計中變得尤為關鍵，因為沒有傳統(tǒng)的陽極結構來輔助界面接觸。為了解決這一問題，研究團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新的集電器設計。

日本航空波音787客機中所用的鋰鈷氧化物電池曾于2013年發(fā)生火災事故

（圖片來源：維基百科）

創(chuàng)新集電器：界面接觸的突破性解決方案

為了解決固態(tài)電解質與集電器之間接觸的問題，研究團隊開發(fā)出了一種獨特而巧妙的集電器設計。他們使用具有類似液體流動性的固體鋁粉來構建集電器。這種看似矛盾的材料選擇實際上是解決問題的關鍵。

在電池組裝過程中，鋁粉在高壓下被壓實，形成固體集電器。這個過程的獨特之處在于，盡管最終形成了堅固的固體結構，但由于初始狀態(tài)的流動性，鋁粉能夠在壓實過程中填充所有微小的空隙和不規(guī)則表面。

這種創(chuàng)新的集電器設計巧妙地解決了固態(tài)電池中的關鍵問題。它既保證了集電器的機械強度和導電性，又實現(xiàn)了與電解質的緊密接觸,幾乎可以比擬液體電解質的接觸效果。這種緊密接觸對于離子的高效傳輸至關重要，直接影響電池的充放電效率和整體性能。

更重要的是，這種設計為無陽極電池提供了一個穩(wěn)定的界面，用于鈉離子的沉積和脫離。在充電過程中，鈉離子可以均勻地沉積在集電器表面，形成一個臨時的“陽極”層。在放電過程中，這些鈉離子又能夠順利地從集電器表面脫離，通過電解質回到陰極。這種可逆的過程是無陽極電池高效工作的關鍵。

這種創(chuàng)新的集電器設計不僅解決了技術難題，還為無陽極鈉固態(tài)電池的商業(yè)化鋪平了道路。它證明了在實際應用中實現(xiàn)高性能固態(tài)電池是可能的，這對于整個電池行業(yè)都具有重要的啟示意義。

性能與應用：開啟新能源時代的鑰匙

基于這些創(chuàng)新設計，新型無陽極鈉固態(tài)電池展現(xiàn)出了令人矚目的優(yōu)質性能。根據(jù)研究團隊的報告，這種電池的能量密度可與當前主流的鋰離子電池相媲美，這是一個重大突破。高能量密度意味著相同體積的電池可以存儲更多的能量，這對于其在電動汽車等領域中的應用尤為重要。

新能源車底盤的鋰電池組 （圖片來源：維基百科）

在循環(huán)壽命方面，這種新型電池也表現(xiàn)出色。測試顯示，電池結構保持穩(wěn)定，可以經受數(shù)百次充放電循環(huán)而性能不會明顯衰減。這種長壽命特性對于降低電池的使用成本和減少電子廢棄物都有重要意義。

新型電池的另一個顯著優(yōu)勢是其快速充電能力。創(chuàng)新的無陽極設計和高效的離子傳輸界面使得電池能夠承受較高的充電電流，這意味著用戶可以在更短的時間內為設備充滿電。

安全性是這種電池最突出的特點之一。固態(tài)設計和鈉元素的使用大大提高了電池的安全性，幾乎消除了電池起火或爆炸的風險。這一特性對于電動車和大規(guī)模能源存儲系統(tǒng)尤為重要，可以顯著提高整個系統(tǒng)的安全性能。

無陽極鈉固態(tài)電池的成功研發(fā)，標志著電池技術進入了一個新的發(fā)展階段。這項創(chuàng)新不僅克服了傳統(tǒng)電池設計的諸多限制，還充分利用了鈉元素的優(yōu)勢，為我們提供了一種更加經濟、環(huán)保、高效的能源存儲解決方案。

盡管目前這項技術還處于實驗室階段，但其展現(xiàn)出的巨大潛力已經引起了學術界和產業(yè)界的廣泛關注。隨著進一步的研究和優(yōu)化，我們有理由相信，無陽極鈉固態(tài)電池將在不遠的將來走出實驗室，為我們的日常生活和工業(yè)生產帶來深遠的影響。

參考文獻：

1. Grayson Deysher et. al, Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery

2. Marija Maisch, World’s first anode-free sodium solid-state battery

出品：科普中國

作者：李瑞（半導體工程師）

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