宁德时代无负极电池设计细节
2025年4月21日，宁德时代在超级科技日上正式发布了自生成负极技术。该技术不再使用石墨等作为负极材料，而是通过精准调控金属元素（如锂、钠）的沉积过程，直接在集流体表面形成均匀致密的金属层，从而提升电池能量密度。通过纳米级界面结构设计，优化离子传导路径，使金属元素在充放电过程中稳定沉积，减少副反应和活性离子损耗。解决锂金属负极的循环衰减难题，离子传导速度提升100倍，活性离子消耗降低90%，存储性能提升300%。体积能量密度提升60%，重量能量密度提升50%。可灵活应用于钠电、铁锂、三元等多种化学体系，突破单一材料的性能限制，搭配不同正极材料时表现惊人：钠离子体系：350Wh/L；磷酸铁锂体系：680-780Wh/L；三元体系：超1000Wh/L。
根据宁德时代科研团队在《Nature Nanotechnology》发表的《Application-driven design of non-aqueous electrolyte solutions through quantification of interfacial reactions in lithium metal batteries》科技论文，总结宁德时代自生成负极电池（也称无负极电池）设计细节如下：
无负极电池采用铜箔集流体作为负极侧基底，初始状态下不预载任何锂金属或活性材料。电池首次充电时，从NMC811正极脱出的锂离子在铜表面沉积形成金属锂，作为后续循环的活性锂来源。电池设计图如图1所示。
图1 无负极电池设计图
电解液配方
锂盐：双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）
溶剂：二甲氧基乙烷（DME）、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚（TTE）
摩尔比： 1:1.2:3（1LiFSI–1.2DME–3TTE）
电解液用量2.1 g/Ah（贫电解液条件），单电池注入量约0.3 g
实验尝试了从1.1~5 g/Ah的电解液用量
正极设计
集流体：13μm铝箔
活性材料：LiNi₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂（NMC811）
活性材料比例：96.9%
尺寸：42 mm × 49.5 mm（双面涂覆），涂层面积20.78 cm2
活性材料负载量：17.1 mg/cm²（每侧）
压实密度：3.45 g/cm3
面容量：3.53 mAh/cm²（0.2C），3.36 mAh/cm²（1.0C）
活性锂容量：每个电池~156 mAh（理论值）
负极设计
集流体：10μm铜箔
活性材料：无负极电池无活性锂负载，对比电池在铜箔上负载了5、10、15、20、50μm的锂箔
隔膜参数
厚度：12μmPE+3μm涂层
孔隙率：39%（文章中模拟输入参数）
电池结构
类型：如图1所示，单层软包电池，单片正极两侧放置铜箔
封装材质：铝塑膜
电池测试压力：在电池上下侧放置铝板，用四颗螺丝固定，施加0.21 MPa（30 psi）初始压力
20μm锂负极电池设计各组分占比如图2所示。
表1 电池设计参数与初步性能
图2 20μm锂负极电池组分占比
电池性能
电池实际测试容量为147 mAh（0.2C），140 mAh（1.0C）。如图3和4所示。在 2.1 g Ah⁻¹ 贫电解液、17.1 mg cm⁻² NMC811 的实用化条件下，无负极电池仅能提供约 120 次（80 % 保持率）线性衰减循环次数。增加锂金属负极，提高电解液用量可提升电池性能。如图6所示，固定电解液 3.6 g Ah⁻¹（富液，排除电解液瓶颈）时，金属锂厚度从0 μm（纯 Cu）→ 5 → 10 → 15 → 20 μm，寿命从 ~100 圈线性增加到 ≈ 600 圈（20 μm），每增加 1 μm 锂，约多跑 25-30 圈（80 % 保持率）。固定 50 μm 锂（锂足够），只改电解液量，从1.1 → 1.4 → 1.8 → 2.1 → 3.6 → 5 g Ah⁻¹，寿命上升到650 圈@ 5 g Ah⁻¹。
图3 NMC811无负极和石墨负极电池循环曲线对比
图4 NMC811无负极和50μm锂负极电池循环曲线对比
图5 20μm锂负极电池在2.1g/Ah电解液量和50μm锂负极电池在3.6g/Ah电解液量的循环曲线
图6 各种条件电池的循环性能对比
