如今的纯电车为了续航里程,电池越来越大,整车也越来越重,SUV车型的重量轻松超过2.5吨,甚至3吨。那么电池有没有减重的可能性?下一代动力电池出现一个激进的思路:直接删掉核心部件负极。

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没有负极的电池还能储电吗?

大多数锂离子电池,由正极、负极、隔膜和电解液组成。在充电时,锂离子正极脱出,通过电解液移动到负极;放电时,再从负极返回正极。目前常见的负极材料是石墨,高能量密度电池则开始加入硅材料,或者使用锂。

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而无负极电池在制造时不再使用传统的负极活性材料。没有石墨,也没有硅碳,甚至不需要提前放入一层锂金属,看起来像是缺了一块的电池。制造完成后,负极位置只保留一层集流体,例如铜箔。真正的负极,在第一次充电时才会出现。也就是说,电池自己可以“长出”负极。

无负极电池的工作方式并不复杂。第一次充电时,锂离子从正极材料中脱出,穿过电解液,直接沉积在负极集流体上,形成一层锂金属。也就是说,无负极电池的负极不是制造出来的,而是在充电过程中原位生成。

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之后放电时,这些锂重新返回正极;下一次充电时,又重新沉积。因此,无负极电池出厂时没有传统意义上的负极活性材料,但负极通过充电自动生成。这也是提高能量密度、减重的关键。

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传统电池中的石墨、硅碳以及相关粘结材料都需要占据空间和重量,取消负极活性材料后,电芯内部可以腾出更多空间给正极活性材料。简单来说,同样大小的电池,能装进去更多真正用于储能的材料。

能减重多少?

无负极电池可以减轻重量,提高能量密度,同样体积下增加续航。以松下公布的目标为例,无负极技术可以将电芯能量密度提升约25%,如果保持同样的续航,就可以缩小电池容量和尺寸,让电池变得更轻,这对于现在越来越重的电动车来说,是值得探究的改进方向。

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对于搭载600公斤以上电池包的电动车来说,大约减重100公斤左右,不仅可以降低能耗,让操控变得灵活,对轮胎、悬架和刹车系统的负担也更小。此外,无负极电池理论上还能够减少石墨等负极材料的使用。对于电池制造商来说,这不仅是性能问题,也关系到供应链和材料成本。

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开发难点在哪里?哪些公司有相关专利

无负极电池删掉了传统的负极,也带来了问题,锂金属并不会每次都均匀地沉积。理想状态下,充电时锂应该像一层平整的金属薄膜,均匀覆盖在铜箔上。但现实中,局部电流密度、温度和材料表面的微小差异,都会导致锂优先在某些位置堆积,久而久之,就可能形成针状或树枝状的锂枝晶,一旦枝晶刺穿隔膜,就可能造成内部短路。

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另一个问题是循环寿命。无负极电池的锂来自正极,每次充放电都必须尽可能把锂重新沉积和剥离。如果每一次循环都有少量锂无法回到正极,长期累积下来,电池容量快速下降。

对于普通电子产品的电池来说,经过几百次循环后容量衰减还可以接受,但汽车的电池造价高昂,用个几年就要换,显然用户无法接受。无负极技术必须同时解决枝晶、界面稳定性和循环寿命问题,才能真正进入量产阶段。

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目前松下正在研发无负极动力电池,目标是将电芯能量密度提升至1000Wh/L以上。通用汽车拥有多项无负极电池专利。其中一项无负极固态电池专利的核心,就是使用裸露的集流体,在充电时接收来自正极的锂,形成临时负极。此外,固态电池公司QuantumScape同样在研究无负极锂金属路线。

选车侦探观点:对于那些已经超过3吨的电动车来说,减重显然不能只着眼于车身材料,而要从重量级的动力电池开始。无负极电池有更高的能量密度,可以进一步降低整车重量,增加续航里程。但缺点同样突出,循环寿命、锂枝晶、快充稳定性和制造成本,目前还没有完全解决这些问题。所以短期来看,无负极电池还无法取代成熟的锂离子电池。