Безанодная батарея (AFB) — это батарея, изготовленная без анода. Вместо этого при первой зарядке он создает металлический анод. Анод формируется из носителей заряда , питаемых катодом . Таким образом, перед зарядкой аккумулятор состоит из катода, токосъемников , сепаратора и электролита .
В обычных батареях используется анод из графита . Однако графит занимает пространство, увеличивает вес, увеличивает стоимость материалов и увеличивает сложность производства. По состоянию на 2023 год наиболее практичные конструкции, поддерживающие литий-металлические батареи, будут безанодными.
Безанодные батареи обычно требуют твердотельного электролита, изготовленного из керамики или полимера. Это необходимо для того, чтобы в течение многих циклов зарядки/разрядки дендриты, которые могут образоваться на токосъемнике на анодной стороне, не пересекали электролит и не вызывали короткого замыкания батареи. В некоторых твердотельных конструкциях используются обычные графитовые аноды.
Носители заряда гальванизируют литий на поверхность анодного токосъемника, образуя межфазную фазу твердого электролита (SEI). После первоначальной зарядки AFB работает как литий-металлическая батарея . [1] За счет исключения постоянного металлического литиевого анода AFB работают так, что весь литий действует как носитель заряда, а не остается на аноде (нулевой избыток лития). Производство литиевого анода также сложно, поскольку оно включает в себя изготовление тонкой литиевой фольги и манипулирование ею, учитывая ее высокую реакционную способность и вязкость. Однако некоторое количество лития теряется в каждом цикле зарядки/разрядки, что сокращает количество циклов. Отложенный литий также имеет тенденцию иметь неравномерную глубину и с большей вероятностью образует дендриты. межфазный слой твердого электролита [2]
Безанодные литий-ионные батареи были продемонстрированы 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 имеют 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 объектами исследований. [2] Оксидные катоды могут выделять активные радикалы кислорода, которые вызывают побочные реакции с легковоспламеняющимися органическими электролитами. Напротив, содержание лития в сульфиде лития может достигать 67%. Полностью литированный катод испытывает незначительные изменения объема во время циклирования. [3] Однако катоды Li2S могут страдать от перенапряжения начальной 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 Втч/кг (900–1100 Втч/л) . По состоянию на 2020 год батарея сможет выдержать 800 циклов, прежде чем упадет до 80% от своей первоначальной емкости. [1] [4] Производство запланировано на вторую половину 2024 года. [5]
Компания One New Energy продемонстрировала аккумуляторную батарею, заявленная емкость которой составляет 1000 Втч/л. Каждая призматическая ячейка имеет емкость 240 Ач. Чтобы устранить ограничения выходной мощности, срока службы и уровня безопасности, компания приняла двуххимическую архитектуру батареи, в которой элементы LFP являются основным источником питания, а безанодные элементы батареи (катод LiMnO) будут использоваться для использования в качестве источника питания. справляться с длительными поездками. Ожидалось, что это позволит сократить циклы и пиковую мощность на 90%. [6]
Компания Samsung сообщила о катоде из оксидного слоя с высоким содержанием никеля в прототипе карманного элемента, который обеспечивает мощность >900 Втч/л и стабильный кулоновский КПД (>99,8%) в течение 1000 циклов. [1]
Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) разработали безанодное устройство, в котором используется смесь соли и солевого электролита, растворенная в растворителе, смеси растворителей и/или полимере. Соль может представлять собой соли лития различных типов. [7]
Безанодные батареи должны иметь интеркаляционные катоды малой емкости, выделяющие кислород, и легковоспламеняющиеся жидкие электролиты. В качестве альтернативы был использован квазитвердотельный негорючий полимерный гелевый электролит с катодами из сульфида лития. Исследование показало, что плотность энергии составляет 1323 Вт·ч л-1 на уровне карманных ячеек. Конструкция позволяет избежать неконтролируемых экзотермических реакций активного кислорода и избытка Li. В электролите используется фторированный полимер, легированный MXene , который предотвращает перемещение полисульфида и уменьшает количество дендритов. Была улучшена безопасность ячеек от механических, электрических и термических воздействий. [3]