Безанодная батарея (AFB) — это батарея , которая производится без анода. Вместо этого она создает металлический анод при первой зарядке. Анод формируется из носителей заряда, поставляемых катодом . Таким образом, перед зарядкой батарея состоит из катода, токосъемников , сепаратора и электролита .
В обычных батареях анод изготавливается из графита . Однако графит занимает место, увеличивает вес, увеличивает стоимость материалов и увеличивает сложность производства. По состоянию на 2023 год наиболее практичные конструкции, поддерживающие литий-металлические батареи, не содержат анода.
Для безанодных аккумуляторов обычно требуется твердотельный электролит из керамики или полимера. Это необходимо для того, чтобы в течение многих циклов заряда/разряда дендриты, которые могут образовываться на токосъемнике анодной стороны, не пересекали электролит и не замыкали аккумулятор. В некоторых твердотельных конструкциях используются обычные графитовые аноды.
Носители заряда электролитически покрывают литий поверхностью токосъемника анода, создавая тем самым твердоэлектролитную интерфазу (SEI). После первоначального заряда AFB работает как литий-металлическая батарея . [1] Исключая постоянный литий-металлический анод, AFB работают со всем литием, действующим как носитель заряда, а не оставаясь на аноде (нулевой избыток лития). Изготовление литиевого анода также является сложным, поскольку это включает изготовление и обработку тонкой литиевой фольги, учитывая ее высокую реакционную способность и вязкость. Однако часть лития теряется в каждом цикле заряда/разряда, что снижает количество циклов. Осажденный литий также имеет тенденцию иметь неравномерную глубину и с большей вероятностью образует дендриты. твердоэлектролитная интерфаза [2]
Были продемонстрированы литий-ионные аккумуляторы без анодов с использованием различных катодных материалов, таких как LiFePO 4 , LiCoO 2 и LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 (NMC 111 ).
Эти катоды интеркаляционного типа обычно предлагают ограниченное содержание Li (14,3 ат.% для LiFePO4, 25 ат.% для LiCoO2 и LiNi x Co y Mn1- x - y O2), хотя они остаются основными целями исследований. [2] Оксидные катоды могут выделять реактивные кислородные радикалы, которые запускают побочные реакции с легковоспламеняющимися органическими электролитами. Напротив, сульфид лития может достигать 67% лития. При полном литировании катод испытывает незначительные изменения объема во время циклирования. [3] Однако катоды Li2S могут страдать от начального перенапряжения активации (~1,0 В) и плохой кинетики заряда. [3]
QuantumScape разработала одну такую батарею. Компания заявила, что плотность энергии ее твердотельной батареи составляет 325-440 Вт·ч/кг (900-1100 Вт·ч/л) . По состоянию на 2020 год батарея могла выдерживать 800 циклов, прежде чем ее первоначальная емкость упадет до 80%. [1] [4] Производство запланировано на вторую половину 2024 года. [5]
One New Energy продемонстрировала аккумуляторную батарею, которая, как утверждается, обеспечивает 1000 Вт·ч/л. Каждая призматическая ячейка обеспечивает 240 А·ч. Для устранения ограничений выходной мощности, срока службы и уровней безопасности компания приняла архитектуру батареи с двойной химией, в которой ячейки LFP являются основным источником питания, в то время как ее безанодные аккумуляторные ячейки (катод LiMnO) будут использоваться для обработки более длительных поездок. Ожидалось, что это сократит циклы и пиковые требования к мощности на 90%. [6]
Компания Samsung сообщила о создании высоконикелевого слоистого оксидного катода в прототипе ячейки, который обеспечивал >900 Вт·ч/л со стабильной кулоновской эффективностью (>99,8%) на протяжении 1000 циклов. [1]
Исследователи из Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) разработали устройство без анода, которое использует смесь соли/соли электролита, растворенную в растворителе, смеси растворителей и/или полимере. Соль может быть из различных типов литиевых солей. [7]
ION Storage Systems продемонстрировала твердотельную батарею, которая выдержала 125 циклов с потерей емкости менее 5%. Вместо анода они используют керамическую 3-D структуру. Эта батарея стала первой, которая удовлетворяет требованиям Агентства перспективных исследовательских проектов по энергетике / Министерства энергетики по зарядке при комнатной температуре. [8]
Безанодные батареи должны решать проблему малоемкостных кислород-выделяющих интеркаляционных катодов и легковоспламеняющихся жидких электролитов. Одна из альтернатив приняла квазитвердотельный, негорючий, полимерный гелевый электролит с катодами из сульфида лития. Исследование заявило плотность энергии 1323 Вт·ч·л−1 на уровне ячейки пакета. Конструкция позволяет избежать неконтролируемых экзотермических реакций реактивного кислорода и избытка Li. Электролит использует фторированный полимер, легированный MXene , что позволяет избежать перемещения полисульфида и уменьшает образование дендритов. Безопасность ячейки от механических, электрических и термических воздействий была улучшена. [3]