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电池“终极一问”：Anode-Less还是Anode-Free？

时间：2023-11-30 来源：浏览：

电池“终极一问”：Anode-Less还是Anode-Free？

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【研究背景】

电动汽车行业的高速发展推动了高能量密度电池的研究，高能量密度的电池可以实现大于>500英里的更长行驶里程。在众多解决方案中，锂金属电池极具潜力，因为其具有低氧化还原电位（−3.04 V），低密度（0.534 g cm ⁻ ³ ）和高理论比容量（3861 mAh g ⁻ ¹ ），但是锂金属面临着可逆性较差的问题。目前，通常使用厚的独立式或涂层锂箔（>100 μm，>20 mAh cm ⁻ ² ），所组装成的全电池面积容量低于5 mAh cm ⁻ ² ，这种电荷存储活性材料和电池级质量负载之间的不匹配通常使用N/P比来描述：

其中，q _anode 是负极面积容量，q _cathode 是正极面积容量，通常为了避免安全问题和过度锂电镀行为，电池的N/P比一般超过1.5，但这也会导致电池循环寿命的伪增强。然而，实际使用中锂金属过量属于常态，因为加工小于50 μm的金属箔非常具有挑战性。

【编辑观点】

近期，在 ACS Energy Letters的Topic编辑、普林斯顿大学Kelsey B. Hatzell教授发表了题为 “Anode-Less or Anode-Free?” 的评论文章，对无负极锂金属电池的规范术语进行了专业评述。

“Anode-Less”和“Anode-Free”都是在放电状态下以仅集流体作为负极制造的电池几何结构，为实现低N/P比和高能量密度提供了一种途径，这种电池结构包括锂离子正极、隔膜或固体电解液和集流体（图1a ）。在首圈充电过程中，Li ⁺ 从正极脱嵌，穿过电解液，电沉积到集流体上时，就形成了负极；在放电期间，形成的负极被剥离，Li ⁺ 通过电解液返回并嵌入到正极中，这一过程导致了100%的负极体积变化，所有的活性材料都可被循环使用，从而能够精确地控制负极的厚度和容量，并避免了制备工艺的高昂成本。无锂电池的概念并不是一个新概念，但随着固态电池的出现和快速发展，这一概念再次受到关注，这是因为使用刚性固体电解质的固态电池可能更适合锂金属的可逆工作。然而，随着大量研究固态电池的文章发表，标题中使用“Anode-Less或Anode-Free”的词（图1b），这二者有何区别，又该如何正确使用呢？

“Anode-Free”是这类下一代电池的主要描述词，但是这种命名是否是描述这类电池最准确的方式值得商榷？标题是准确地传达文献的研究贡献最重要的部分，而“Anode-Free”和“Anode-Less”经常被混淆。许多课题组在首次充电循环期间电镀过量的锂金属，然后在随后的循环中循环较低的容量，这种做法会导致实际N/P比大于0。事实上，组装完全没有负极的电化学电池的想法是不可能的，因为即使这些架构在第一次充电期间可能不具有锂金属负极，但集流体也充当负极。出于上述这两个原因，选择诸如““Li-free batteries”、“low N/P lithium metal batteries”或“Anode-Less”之类的术语要比使用“Anode-Free”术语更为贴切准确。