乔世璋院士Materials Today电池综述：无负极钠电实用化前景

第一作者：陈宇杰，叶超

通讯作者：乔世璋*

单位：阿德莱德大学

无负极钠电池（AFSBs）不仅有高能量密度，而且经济实惠，是符合清洁能源社会的储能器件。然而，目前对产品化的无负极钠电池的理解还很缺乏。其能量密度到底能有多高？成本是否真的有优势？潜在的市场规模有多大？限制其发展的关键因素是什么？目前的研究进展如何？这些问题，还没有一个全面的回答。

近日，阿德莱德大学乔世璋院士团队在国际知名期刊Materials Today上发表了题为“Prospects for practical anode-free sodium batteries”的前瞻性观点文章。通过基于商业化4680电池设备的计算，该文章系统的评估了AFSBs的能量密度范围，通过与锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）的系统性比较，揭示了AFSBs的材料成本和潜在市场规模。对于限制该项技术的发展瓶颈问题，即较差的循环寿命，作者通过研究体系中活性钠离子存量，建立了AFSBs的循环寿命模型。同时，该文总结了近期有关AFSBs的最新研究成果。

要点一：从电池产品层面揭示无负极钠电池的能量密度

实验室对于电化学体系的能量密度评估总是基于活性材料本身计算，作者认为该方法只适用于评估材料性能，并不适合评估电池体系，对于电池体系的评估要在电池设备层面进行。因此，作者参考了商业化的4680圆柱电池设计，对无负极钠电池进行产品设备层面的重量和体积能量密度进行了评估，并与商业化的锂离子电池和钠离子电池进行了对比。其结果显示，无负极钠电池在器件层面的重量能量密度范围与商业化的锂离子电池相当，体积能量密度上还略有优势，其两项指标都远超与钠离子电池。其主要优势来自于负极钠容量的提升。

作者基于产品化的电池能量和原材料大宗交易数据（基于2023年8月），系统的分析了无负极钠电池的主要原材料成本构成，并系统的与锂离子电池和钠离子电池进行了对比。其结果显示，无负极钠电池仅在原材料级别就展现出超15%的成本优势（vs三元锂离子体系）。其中，正极材料成本占比超过80%，后续的量产降本会使其价格优势更加明显。相较于现有的锂离子电池产业，其制造工艺更加简化(取消了负极制造过程)，产业链结构也更加简单（无负极原材料需求，正负极共用箔材）和稳定（钠资源丰富，分散均匀），保障了其价格的稳定性，有助于提升能源安全性。基于其能量密度和成本，作者推测其潜在市场规模超US$107bilion。

快速的容量损失导致无负极钠电池的循环寿命大大缩减，使其难以走出实验室。作者通过分析无负极钠电池体系中的活性钠离子数量，建立了其循环寿命和库伦效率之间的关系，从而搭建了简化版的寿命模型。其结果显示，提升活性钠离子的循环库伦效率是增加循环寿命的最有效手段。1000圈的循环需要超99.97%的活性离子循环库伦效率，目前还没有研究报道可以达到。其次，减少首次SEI成膜钠离子消耗和额外补充钠离子也是提升循环寿命的有效方法。

无负极钠电池在能量密度和成本上的巨大优势使其具有巨大的应用市场。作者认为，在AFSBs的发展中，以下问题需要解决：

“Prospects for practical anode-free sodium batteries”

乔世璋院士，现任澳大利亚阿德莱德大学化工学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、电池、光催化等。作为通讯作者，在Nature、Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials 等国际顶级期刊发表学术论文超过530篇，引用超12.3万次，h指数为179。

乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2023年澳大利亚研究理事会工业界桂冠学者（ARC Australian Industry Laureate Fellow），2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。