宁德时代专利曝光，第二代钠离子电池采用无负极技术？

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关于宁德时代(SZ:300750)面向第二代的钠离子技术，近来坊间已有诸多传闻。从我们一直关注的宁德时代专利中，我们找到了重大发现，而这些信号或许会颠覆你的认知。

硬币的正反面：从第一代钠离子电池说起

宁德时代所宣传的第一代钠离子电池的能量密度为160Wh/kg，虽然已经是全世界范围内最高，但相比磷酸铁锂和三元还是矮个，比如三元高镍锂电池的极限能量密度有望做到280Wh/kg，第一代钠离子电池只能欺负下铅酸电池（能量密度约30Wh/kg）。

图1：钠离子电池和锂离子电池区别,资料来源：中科海纳

宁德时代下一代钠离子电池已有破局之道？

宁德时代2021年获批的一个名为“钠金属电池、电化学装置”的专利，无负极金属电池技术引起了我们的高度重视。

图2：宁德时代发明专利“钠金属电池、电化学装置”,资料来源：宁德时代专利说明书

【1】正极主导的电池创新，但革新负极更具紧迫性和颠覆性

能量密度提升是电池的第一性原理。在电池的四大材料——正极、负极、隔膜、电解液——中，过去十年，能量密度的进步主要是正极材料的优化和制造水平的提升贡献的。

有人会问，正极材料可以各种选择，负极怎么老是死磕石墨？残酷的现实是，负极的创新极其困难，一般10-20年才有一次重大突破。所以你看上一代负极已经够得到天花板了，下一代负极还远在规模化量产途中。

而残酷的现实是，负极的创新往往决定了电池技术最重要的更新迭代。

【2】负极金属电池技术是什么黑科技？

此前有特斯拉的“无极耳”技术（详情请见《无极耳、干电极 4680电池是怎样炼成的》），现在宁德时代突然来个“无负极”。

通俗的说，无负极金属电池是指生产制造过程中不添加负极活性材料，仅采用负极集流体作为名义上的负极。但这负极集流体不具备负极的功能，只有在首次充电完成后，正极材料中的金属迁移到负极集流体的表面，负极集流体上形成的金属层才是真正意义上的负极。

或者我们可以将无负极理解为生产制造过程中无负极，负极是在电池组装完成、首次充电后出现的。

再讲到电池的工作原理，充电过程是正极材料中的离子（如锂离子、钠离子）穿过隔膜到达负极的石墨，电子则从正极集流体出发沿着外电路一路快跑到负极集流体，放电过程是反向的，离子和电子如此来回循环，就完成了电池一次次的充放电。

图3：电池示意图,资料来源：锦缎研究院

那换成无负极金属电池后，情况会有哪些变化呢？其实正极这边没有很大变化，就是负极不再有石墨，只剩负极集流体（铜箔）。在电池生产过程中，由于没有负极材料相伴左右，孤零零的铜箔就“自封”为负极，直至电池组装完成。

接着离子的第一次发现之旅开启，它从正极出发，以金属的形式沉积到负极集流体，在负极集流体上形成金属层，这时候名不副实的铜箔将负极名号“让位”给了金属层。随后的放电过程中，离子从负极集流体上“逃”出来，返回它的“出生地”，如此电池完成了首次充放电循环，负极也就出现了。

图4：无负极金属电池示意图,资料来源：锦缎研究院

而这种形式的新技术，被命名为无负极金属电池技术。这项黑科技，最大的好处是可以大幅提升能量密度，而这不正好可以解决钠离子电池低能量密度的痛点么。

黑科技首发畅想：下一代钠离子电池

【1】黑科技中的工艺难题

我们查到，宁德时代不仅布局了相关材料设计专利，还率先申请了生产工艺专利，这表明其无负极金属电池技术研究进展可能比想象中快，或已有一定的产业化基础。而且，在专利中，频繁被提起的是钠离子，我们可能看到这一黑科技率先在钠离子电池上落地。

【2】宁德时代如何克服无负极金属电池的制造难题？

从公开的专利技术看，宁德时代是从源头着手，就是让在电芯首次充放电后，让残留的钠金属量足够多，最终能够在集流体表面形成一层均匀且有一定厚度的钠沉积层，以此来避免随后充放电循环过程中钠沉积至集流体表面所需的更高的成核能，同时降低整体的沉积过电势，最终保证钠金属的沉积均匀性及充放电过程的可逆性。

进一步展开来说，具体的做法是要求电芯首次充放电后负极的钠沉积厚度≥30nm，这样可以保证钠离子来回跑的时候，不在某些特定位置聚集。那么如何保证首次充放电后负极的钠沉积能达到指定的厚度呢，毕竟这个厚度是纳米级的，工艺难度不言而喻。

为了解决这个难题，宁德时代的做法是提前在负极集流体的表面设置导电涂层（金属氧化物），这么做可以进一步降低钠沉积所需过电势，保证首次充放电后钠金属的沉积均匀性。同时，这层金属氧化物保护层具有纳米级厚度，可以与钠金属在电化学条件下形成对应钠盐，从而提升钠金属负极极片表面的钠离子传输速率，提升电池动力学性能，解决了安全性和循环寿命的问题。

简单说，这个生产工艺像是给负极极片涂一层保护膜。一方面要保证膜层的厚度以及均匀性，另一方面要让膜层具有较高机械强度，使得钠负极极片充放电发生体积变化时保持结构的完整性，防止钠金属电解液直接接触形成大量钠枝晶。

图5：钠金属负极极片与电化学装置,资料来源：宁德时代专利说明书

【3】下一代钠离子电池蓄势

而在开篇我们就提到了钠离子电池制造成本低、资源丰富，现在最大的痛点就是能量密度偏低（下图中唯一处于灰色部分的性能指标），展望下一代技术，将无负极金属电池用在钠元素上面进而大幅提升能量密度，从商业角度来看是再合适不过了。

图6：宁德时代第一代钠离子电池和磷酸铁锂离子电池性能对比,资料来源：宁德时代钠离子发布会

不止于钠，新平台技术的化学推动力

【1】无负极金属电池技术不仅仅是钠

值得一提的是，无负极金属电池技术与现有的电池产线和类似的，无需额外购买大量设备。毕竟无负极金属电池的四大材料都还在，也就是说，无负极金属电池生产制造成本不会显著增加，甚至随着规模化，制造成本还有下降的空间。

【2】材料体系变化缓解“缺锂焦虑”

我国的锂资源储量仅占全球的6%左右，却要生产全世界近一半的动力电池，结果就是将近80%的锂资源依赖进口。而且全球各大电池生产商都还在不断的扩大其产能，这也导致最近几年来，抢锂大战频频发生。

而无负极金属电池技术，可能能避免类似石油危机的噩梦在锂上重演。一方面，无负极钠电池能量密度快速提升，能够对锂电池形成更好的补充；另一方面，锂电池本身由于无负极金属电池技术，单位容量内使用量大幅下降。

不知道这样的新信号，你是否已经接收到？

来源：锂电那些事

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首次发布时间：2023-06-29