无阳极钠固态电池：开启电池技术新纪元

出品：科普中国

作者：李瑞（半导体工程师）

监制：中国科普博览

在全球能源转型的大背景下，电池技术的创新正成为推动可持续发展的关键力量。近期，科学家们在这一领域取得了突破性进展，他们研制出了全球首个无阳极钠固态电池。这项创新不仅有望彻底改变电池行业的格局，还可能为我们带来更加廉价、高效、安全的能源存储解决方案。

无阳极钠固态电池结构示意图，从左至右分别为石墨阳极、合金阳极以及无阳极固态电池

（图片来源：参考文献1）

从锂到钠：电池革命的新方向

在过去的几十年里，锂离子电池凭借其高能量密度的优势，已经成为电动汽车和移动设备的标准配置。然而，随着电池需求急剧增长，锂资源的稀缺性和日益上涨的价格开始引发人们的担忧。这种情况促使科学家们不断寻找替代方案。钠元素凭借其独特的优势，逐渐成为了一个极具吸引力的选择。

钠在地壳中的储量约为锂的1000倍，这一惊人的数字意味着钠电池的原材料供应将更加充足和稳定。丰富的储量将大大降低电池的生产成本，使得大规模应用成为可能。此外，钠的开采和提炼过程对环境的影响相对较小，更加符合可持续发展的要求。这些优势使得钠基电池技术成为未来能源存储领域的一个重要发展方向。

然而，转向钠基电池并非没有挑战。传统的钠离子电池在能量密度和循环寿命等方面仍然难以与锂离子电池相媲美。这就需要科学家们开发新的电池架构和材料来突破这些限制。正是在这种背景下，无阳极电池设计应运而生，为钠电池技术带来了新的希望和可能性。

手机中的锂聚合物电池

（图片来源：维基百科）

无阳极设计：颠覆传统的创新思路

要理解无阳极电池的革命性，我们首先需要回顾传统电池的基本结构。传统电池通常包含阴极、阳极和电解质三个主要部分。在充电过程中，离子从阴极迁移到阳极并在那里储存；放电时，离子则从阳极通过电解质流回阴极，产生电流。这种设计已经使用了数十年，但也面临着诸如能量密度限制、安全性问题等挑战。

无阳极电池的创新之处在于完全去除了阳极这一组件。在这种新型设计中，充电时，离子直接在集电器表面通过电化学沉积的方式储存；放电时，离子从集电器表面脱离，通过电解质回到阴极。这种看似简单的变化实际上带来了一系列显著的优势：

首先，去除阳极减少了电池的重量和体积，从而提高了整体的能量密度。这意味着相同大小的电池可以存储更多的能量，或者相同容量的电池可以做得更小更轻。其次，简化的结构降低了生产成本，这对于大规模商业化至关重要。此外，无阳极设计还可以实现更高的电池电压，进一步提升能量密度。

然而，无阳极设计也带来了新的技术难题。最主要的挑战是如何在没有传统阳极的情况下，确保电解质和集电器之间保持良好的接触。这对于离子的有效传输至关重要，直接影响电池的性能和寿命。为了克服这一难题，研究团队采用了两项关键创新：固态电解质的应用和创新的集电器设计。

固态电解质：安全性和性能的双重保障

在无阳极钠固态电池中，研究团队选择使用固态电解质而非传统的液体电解质。这一选择不仅解决了无阳极设计中的关键问题，还带来了一系列额外的优势。

固态电解质最显著的特点是安全性高。与易燃的液体电解质不同，固态电解质大大降低了电池起火或爆炸的风险。这一特性对于电动汽车和大规模能源存储系统尤为重要，可以显著提高整个系统的安全性能。

其次，固态电解质提高了电池的稳定性和寿命。相比液体电解质，固态电解质不会产生有害的界面反应，这些反应通常会导致电池性能随时间推移而逐渐下降。因此，使用固态电解质的电池可以保持更长时间的高性能状态，延长了电池的有效使用寿命。

此外，固态电解质在高温环境下表现出优异的稳定性。这意味着使用这种电池的设备可以在更广泛的温度范围内正常工作，拓展了电池的应用场景。例如，在极端气候条件下的户外设备或工业应用中，这种特性将发挥重要作用。

然而，固态电解质的应用也带来了新的挑战。最主要的问题是如何确保固态电解质与电极材料之间的良好接触。这个问题在无阳极设计中变得尤为关键，因为没有传统的阳极结构来辅助界面接触。为了解决这一问题，研究团队开发了一种创新的集电器设计。

日本航空波音787客机中所用的锂钴氧化物电池曾于2013年发生火灾事故

（图片来源：维基百科）

创新集电器：界面接触的突破性解决方案

为了解决固态电解质与集电器之间接触的问题，研究团队开发出了一种独特而巧妙的集电器设计。他们使用具有类似液体流动性的固体铝粉来构建集电器。这种看似矛盾的材料选择实际上是解决问题的关键。

在电池组装过程中，铝粉在高压下被压实，形成固体集电器。这个过程的独特之处在于，尽管最终形成了坚固的固体结构，但由于初始状态的流动性，铝粉能够在压实过程中填充所有微小的空隙和不规则表面。

这种创新的集电器设计巧妙地解决了固态电池中的关键问题。它既保证了集电器的机械强度和导电性，又实现了与电解质的紧密接触,几乎可以比拟液体电解质的接触效果。这种紧密接触对于离子的高效传输至关重要，直接影响电池的充放电效率和整体性能。

更重要的是，这种设计为无阳极电池提供了一个稳定的界面，用于钠离子的沉积和脱离。在充电过程中，钠离子可以均匀地沉积在集电器表面，形成一个临时的“阳极”层。在放电过程中，这些钠离子又能够顺利地从集电器表面脱离，通过电解质回到阴极。这种可逆的过程是无阳极电池高效工作的关键。

这种创新的集电器设计不仅解决了技术难题，还为无阳极钠固态电池的商业化铺平了道路。它证明了在实际应用中实现高性能固态电池是可能的，这对于整个电池行业都具有重要的启示意义。

性能与应用：开启新能源时代的钥匙

基于这些创新设计，新型无阳极钠固态电池展现出了令人瞩目的优质性能。根据研究团队的报告，这种电池的能量密度可与当前主流的锂离子电池相媲美，这是一个重大突破。高能量密度意味着相同体积的电池可以存储更多的能量，这对于其在电动汽车等领域中的应用尤为重要。

新能源车底盘的锂电池组

（图片来源：维基百科）

在循环寿命方面，这种新型电池也表现出色。测试显示，电池结构保持稳定，可以经受数百次充放电循环而性能不会明显衰减。这种长寿命特性对于降低电池的使用成本和减少电子废弃物都有重要意义。

新型电池的另一个显著优势是其快速充电能力。创新的无阳极设计和高效的离子传输界面使得电池能够承受较高的充电电流，这意味着用户可以在更短的时间内为设备充满电。

安全性是这种电池最突出的特点之一。固态设计和钠元素的使用大大提高了电池的安全性，几乎消除了电池起火或爆炸的风险。这一特性对于电动车和大规模能源存储系统尤为重要，可以显著提高整个系统的安全性能。

无阳极钠固态电池的成功研发，标志着电池技术进入了一个新的发展阶段。这项创新不仅克服了传统电池设计的诸多限制，还充分利用了钠元素的优势，为我们提供了一种更加经济、环保、高效的能源存储解决方案。

尽管目前这项技术还处于实验室阶段，但其展现出的巨大潜力已经引起了学术界和产业界的广泛关注。随着进一步的研究和优化，我们有理由相信，无阳极钠固态电池将在不远的将来走出实验室，为我们的日常生活和工业生产带来深远的影响。

参考文献：

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

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