无阳极电池，也称为无负极锂金属电池（Anode-Free Lithium Metal Batteries，简称AF-LMB），是一种新型的高能量密度储能技术。这种电池省去了初始负极活性材料的使用，能够在提升电池能量密度的同时减少生产成本 。然而，无阳极电池在循环过程中面临着由于“死锂”产生和电解液与金属锂之间的副反应导致的锂资源不可逆损耗，这直接影响电池容量的损失 。
一、无阳极钠固态电池
无阳极电池的最新研究动态，美国科学家已经成功研制出全球首个无阳极钠固态电池。这一突破性成果有助于开发出成本更低且能快速充电的大容量电池，特别适合用于电动汽车和电网储能系统。相关研究论文已经发表在《自然·能源》杂志上 。
这种新型无阳极钠固态电池使用了一种创新性的架构，通过采用具有类似液体流动性的固体铝粉来构建集电器，解决了传统无阳极电池中电解质和集电器之间保持良好接触的难题。在电池组装过程中，铝粉在高压下变得致密，形成固体集电器，同时与电解质保持类似液体的接触，实现了低成本、高效率的充放电循环 。
研究团队指出，这种新型钠电池结构稳定，可以循环数百次，且由于去除了阳极并用钠代替锂，新型电池的生产过程更加经济和环保。此外，固态设计也提高了电池的安全性 。
二、富锂正极材料
中国科学院物理研究所的研究人员提出了将新型的富锂三元层状正极Li2[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2应用于AF-LMB以提升电池寿命，并避免了锂箔滥用导致的电池能量密度损失 。此外，也有研究将无钴的富锂尖晶石正极Li2Ni0.5Mn1.5O4应用于AF-LMB以延长循环寿命，由于钴资源的限制，这种无钴储能体系受到了研究者们的关注 。
通过使用富锂正极材料，在首次充电时释放额外的锂离子以补偿负极侧的锂损耗，从而延长电池的循环寿命。这种方法不仅提升了电池的能量密度，还避免了因锂箔滥用导致的能量密度损失 。
三、问题和挑战
无阳极电池技术虽然具有高能量密度和潜在的成本效益，但在实际应用中面临一些挑战和问题：
1. 锂枝晶生长和内部短路引起的安全问题：这是锂金属电池（LMB）尚未商业化的主要原因之一。锂金属的高反应性可能导致枝晶生长，这不仅增加了电池的安全风险，还可能引起电池性能的快速下降 。
2. 电解质减少和厚固体电解质界面(SEI)的形成：在电极处由于高表面积锂和死锂的形成，导致电解质的消耗和SEI的增厚，这增加了电池的内阻并消耗了更多的电解质 。
3. 低库仑效率(CE)：由于锂电镀和剥离的低效率，导致电池容量迅速下降，这直接影响了无阳极固态锂电池的循环寿命 。
4. 首次充电过程中沉积钠金属的高活性：无负极钠金属电池（AFSMBs）在首次充电过程中需要在集流体上沉积钠金属，这一过程活性高，可能导致安全问题 。
5. 金属枝晶生长和不稳定的SEI：这些问题导致较差的循环寿命，阻碍了无阳极钠金属电池的实际应用 。为了克服这些问题，研究人员已经开发了多种方法，包括电解质优化和人工层设计，以引导锂金属均匀生长并形成稳定的固体电解质界面（SEI），促进锂离子快速传输并抑制锂枝晶生长 。
6. 电解质和集电器之间保持良好接触的挑战：在无阳极电池中，这一点尤为重要，因为固体电解质无法像液体电解质那样流动，这可能导致电池性能降低 。
7. 界面化学问题：例如锂的不均匀沉积和集流体与锂金属以及电解质界面上的寄生反应，这些问题导致低CE值和枝晶生长 。
为了克服这些挑战，研究人员已经开展了一系列工作，包括使用不同的电解液配方、3D结构和人工涂层等方法来提高电池的电化学性能，以及开发新型集流体、电解质和测试方法来优化电池性能 。
四、应用前景
无阳极电池因其高能量密度、成本节约、安全性高和环保等优点，特别是在需要高能量密度和快速充电的场合具有广阔的应用前景。
1. 电动汽车（EVs）：无阳极电池的高能量密度使其成为电动汽车理想的动力来源。它们可以提供更长的续航里程，同时降低汽车的整体成本和重量 。
2. 电网储能：在电网储能系统中，无阳极电池可以提供快速响应的储能解决方案，有助于平衡供需、提高电网的稳定性和可靠性 。
3. 大规模储能领域：钠离子电池在大规模储能领域尤其具有潜力，因为它们在成本、低温性能、快充能力和热稳定性方面表现优异 。
4. 移动设备：由于无阳极电池的高能量密度，它们可以用于智能手机、笔记本电脑和其他便携式电子设备，提供更长的使用时间和更轻的携带重量 。
5. 环保材料：无阳极电池使用钠代替锂，利用钠在地壳中丰富的储量（约为锂的1000倍），这不仅降低了材料成本，还减少了对环境的影响 。
6. 安全性：固态电解质的使用提高了无阳极电池的安全性，减少了传统液态电解质可能带来的安全风险 。
随着技术的进步和成本的降低，预计钠电池的需求量将大幅增长。据预测，到2026年和2030年，全球钠离子电池需求规模将分别达到110GWh和520GWh 。
无阳极电池因其多方面的优势，预计将在未来的能源存储和转换领域扮演重要角色，特别是在电动汽车和大规模储能市场。随着技术的不断发展和成熟，它们的应用场景将更加丰富和多样化。
总的来说，无阳极电池因其高能量密度和潜在的成本效益而备受关注，但要实现商业化，仍需解决锂资源损耗、锂枝晶生长和SEI稳定性等技术挑战。
