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宁德时代无负极电池设计细节

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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

来源:锂想生活
ACT化学UGUM理论材料储能META
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首次发布时间:2025-12-27
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用模拟验证电池电化学测试的适用性

锂离子电池电极过程包括:①溶剂化的锂离子从电解液内迁移到电解液/固体电极的两相界面;②溶剂化的锂离子吸附在电解液/固体电极的两相界面;③去溶剂化;④电荷转移,电子注入电极材料的导带,吸附态的锂离子从电解液相迁移至活性材料表面晶格;⑤锂离子从活性材料表面晶格向内部扩散或迁移;⑥电子从集流体向活性材料的迁移。这些过程可以用经典的P2D模型来描述,在模型中:步骤①和⑤分别对应电解液和固相颗粒内部的离子扩散,由菲克定律描述,是造成浓度极化的主因。核心的界面过程③和④,即去溶剂化与电荷转移,被整合为Butler-Volmer动力学方程来描述,其反应速率强烈依赖于界面处的锂离子浓度和固相颗粒表面的电势,这直接决定了电化学极化的程度。步骤⑥的电子迁移,由于电极材料导电性好,通常简化为欧姆定律。 电化学测试是研究锂离子电池系统的最常见方法。电化学测试的底层逻辑源于对电化学体系施加一个可控的“输入信号”并监测其“输出信号”,通过分析这种刺 激-响应关系来解析体系内部的内在规律。整个测试过程始于对极化条件的精确控制,其核心范式分为稳态与暂态两大类:稳态测试(如恒电流、恒电势)通过观察系统达到平衡后的状态来揭示其宏观的极化特征与控速步骤;而暂态测试(如计时电流、计时电位)则通过施加快速扰动并监测动态响应,利用体系达到稳态前的弛豫过程来解析电极阻抗、特征时间等动力学参数。 举三个常见的电化学测试例子:CV、EIS和GITT。循环伏安(CV)通过控制电极电势以三角波形循环扫描,并同步测量响应电流,从而在电势-电流图中呈现一对或多个氧化还原电流峰,主要用于定性分析电极上可逆反应的发生电位、反应机理及副反应。电化学阻抗谱(EIS)则向电化学体系施加一个不同频率的小幅正弦电势扰动,并测量其电流响应以计算阻抗,通过分析阻抗随频率的变化(奈奎斯特图或波特图),能够解析电极过程中不同时间尺度的动力学步骤(如电荷转移、离子扩散、表面膜电阻等)及其耦合关系。而恒电流间歇滴定技术(GITT)结合了暂态与稳态测量,它对待测体系施加一个短时间的恒电流脉冲,随后是一个长时间的静置弛豫以恢复平衡,通过分析脉冲期间的暂态电势变化和弛豫后的稳态电势偏移,可以定量计算锂离子在电极材料中的扩散系数,并准确关联电极组成与平衡电势。 但是,这些电化学测试方法往往都有前提条件或者数据分析很难。比如根据CV峰值电流计算扩散系数要求电极反应必须是完全可逆的,整个电极过程的速率控制步骤必须是扩散步骤。而EIS数据分析等效电路的选择非常关键,常常伴随主观随意性比较大,导致分析错误。因此,接下来一段时间,我计划采用comsol有限元模拟的方法研究电化学测试的适用性。 首先,根据建立P2D锂离子电池模型,明确定义电极反应动力学参数(交换电流密度、传递系数)与物质传输属性(扩散系数、迁移率)等参数,系统性地引入可控变量(如电荷转移速率、扩散速率、双电层电容、溶液电阻),模拟不同极化条件下(从可逆到完全不可逆)的循环伏安曲线,以及从1 mHz到100 kHz频率范围的电化学阻抗谱;随后将模拟数据分别用Randles-Sevcik方程和预设等效电路(如Randles电路、Warburg扩散元件)进行反演分析,定量比较在不同动力学区域(混合控制、扩散控制、电荷转移控制)下传统方程与有限元结果的偏差。最终分析测试方法的适用性。 来源:锂想生活

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