综述：隐形靶标：金属和无负极电池的商业化目标

本综述系统剖析了碱金属电池（MBs）与无负极电池（AFBs）的商业化路径。作者以成熟锂离子电池（Li-IBs）为基准，量化了锂/钠基MB与AFB在寿命周期（>1400次循环）、成本（<$0.06 kWh?1 cycle–1）、能量密度（>300 Wh kg?1）及快充（6-10C）等方面的关键性能靶点，并强调了其与电动汽车（EV）应用场景兼容的制造工艺与安全性挑战。

　　

引言：电动汽车的电池需求与选择

国际能源署（IEA）估计，全球电池年需求将以每年24-32%的速度增长，到2030年，在“2050年净零排放 scenario”下将达到6 TWh。这种需求主要来自电动汽车（EV）应用，其中高能量密度和高功率密度至关重要。锂离子电池（Li-IBs）因其高能量密度和功率成为电动汽车的首选，但人们对锂的长期供应链以及高能Li-IBs对关键矿物的依赖日益担忧。

电池运作方式的差异

金属电池（MBs）和无负极电池（AFBs）的主要区别在于负极。Li-IBs使用主体材料（如石墨）作为负极，而MBs使用纯碱金属（如Li或Na）作为负极。在AFBs中，碱金属在充电时通过异质外延成核和生长直接沉积在集流体（CC）上。AFBs可以提供比IBs和MBs更高的能量和功率密度，并且构造更简单，放电时比MBs更安全。然而，AFBs中活性金属的连续损失到固体电解质界面（SEI）的形成、电偶腐蚀和“死”金属（电化学隔离的活性材料）的积累导致容量迅速衰减。

能量密度与寿命周期成本

现代Li-IBs经过高度优化和规模化生产，与过去几十年的电池技术相比，具有优异的能量密度和寿命周期，且成本低廉。这就提出了一个问题：MBs或AFBs要成为电动汽车应用的商业可行选择，最低性能要求是什么？通过将能源成本除以电池寿命来计算能源循环成本，为现有的高功率NMC811电池设定了一个基准，其典型寿命为2000次循环，约为0.06美元 kWh^?1 cycle^–1。

所需的电池寿命

MBs和AFBs的循环成本必须降低，才能在与Li-IBs的竞争中具有竞争力。这可以通过增加预期的循环寿命来实现。0.06美元 kWh^?1 cycle^–1的基准反映了电池系统可用寿命内可接受的水平，因此可用于根据公式计算MBs和AFBs的目标寿命。计算显示，Na-MBs最接近达到Li-IB的同等水平，需要1770次的寿命（比当前报告的寿命增加48%）。其次是Li-MBs，需要2065次循环，是当前报告的800次循环寿命的两倍多。AFBs也远未达到Li-IB的同等水平，但由于其较低的能源成本，其目标低于传统的MBs。

构造考量

即使能够实现MBs和AFBs优异性能和寿命的新发展，如果它们在大规模制造中不切实际或成本过高，也无法实现商业化。电池材料的成本将对能源循环成本产生重大影响。许多钠基材料每公斤的成本低于锂同类材料。然而，用于Na-IBs的硬碳负极每kWh的成本高于用于Li-IBs的石墨。Na-MBs不需要硬碳，而AFBs根本没有负极材料成本。

其他操作目标

对未来电动汽车电池的额外需求包括快速充电、宽工作温度范围和更高的安全性；所有这些都要求低成本。因此，MBs或AFBs必须满足这些需求。安全的快速充电是电动汽车电池的一个理想特性，美国能源部设定了6-10C的“极端快速充电”目标。电动汽车还必须能在-20至50°C的宽温度范围内安全可靠地运行。该温度范围的极端情况，特别是较低温度，已知会严重影响Li-IB的性能。

结论

Li-和Na-MBs和AFBs的高能量密度和简单构造使它们成为电动汽车应用中Li-IBs的潜在继任者。MBs和AFBs以电镀碱金属的形式存储能量，然而在AFBs中，金属直接电镀在负极集流体上。本综述表明，MBs和AFBs每kWh的成本与NMC Li-IBs相似或略低。然而，当考虑寿命时，MBs和AFBs与Li-IBs之间的性能差距是明显的。除了能量密度、成本和寿命指标外，还有与电动汽车相关的其他目标。极端快速充电需要6-10C的安全运行，并且已在一些实验室规模的MBs中得到证明。然而，这些新电池系统在宽温度下的足够稳定性尚未得到充分探索。日历稳定性也鲜有报道，并且可能是使用液体电解质的MBs和AFBs中的一个重要问题。