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宁德时代下一代钠离子电池已有破局之道？

遵循这个线索，我们开始去从前瞻性技术研发中寻找未来可能的答案，翻遍行业龙头公司已公开的专利内容后，宁德时代2021年获批的一个名为“钠金属电池、电化学装置”的专利进入了我们的视线，尤其是其中提到的“无负极金属电池”，属实是初次遇见。正是这样，无负极金属电池技术引起了我们的高度重视。

“无负极”和“金属”这两个关键词，都带有颠覆性的隐喻，而且所针对的材料是市场以前极少关注的。从字面来看，不仅仅是此前我们关注的钠离子电池，可能这是针对材料和工艺的一次重大创新。

我们决定一探究竟。

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。

以大家耳熟能详的锂电池为例，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。展开来说，锂电池的正极材料从磷酸铁锂迭代到NCM333，再到NCM523、NCM622、NCM811，其能量密度的提升成为大家津津乐道的微创新话题。

正极因此成了市场讨论的几乎唯一焦点，但凡你跟人讨论负极，可能对方就失去了兴趣，这玩意儿有啥好聊的，好像是其他都在变，只有石墨恒久远。负极历史上的确一直默默无闻。但是和拼积木是一个道理，电池的能量密度是由四大材料综合来决定的，负极理论上应该有更大的作为。

从1991年锂电池商业化以来，石墨一直是最广泛使用的负极材料，科学家们试验了各种方法对石墨进行改性，但是石墨的性能底子摆在那，目前高端产品已经达到360mAh／g，已经无限接近石墨材料的理论比容量上限372mAh／g。

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。当下，我们亟需更高能量密度的负极来应对未来需求。

【2】负极金属电池技术是什么黑科技？

看到“无负极”，想必很多人都惊呆了，没有负极的电池还叫电池吗？此前有特斯拉的“无极耳”技术，现在宁德时代突然来个“无负极”。这年头没点化学基础还真没法投资新能源了。

其实无负极是行业术语，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。可能这还是太过抽象，我们以电池原理图展开做进一步说明。

在电池生产制造过程中，正极材料和正极集流体（铝箔）压在一起，负极这边是石墨和负极集流体（铜箔）压在一起，最后正负极再以叠片或者卷绕的方式“结合”。整个生产过程中，石墨负极是全程在线。

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，我们似乎看到了下一代钠离子电池的破局曙光。