中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2021年的電池行業(yè)特別熱鬧，在固態(tài)電池、鈉離子電池之外，鋰金屬電池也成為行業(yè)的熱點(diǎn)。
2021年11月2日，鋰金屬電池生產(chǎn)商北京金羽新能科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“金羽新能”）對(duì)外宣布，我國(guó)首條鋰金屬電池生產(chǎn)線已落成，能量密度為360瓦時(shí)/千克的電池已完成B樣品，可應(yīng)用在無(wú)人機(jī)上提高20%的續(xù)航，可將電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程提升至800千米；能量密度為420瓦時(shí)/千克的電池已完成A樣品，可將電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程提升至1200千米。
11月4日，美國(guó)混合鋰金屬電池開(kāi)發(fā)者和制造商Solid Energy Systems（SES ）公司正式對(duì)外發(fā)布Apollo鋰金屬電池。這塊電池的容量為107安時(shí)，質(zhì)量?jī)H為0.982千克，質(zhì)量、體積能量密度分別為417瓦時(shí)/千克、935瓦時(shí)/升。這是世界上首次公開(kāi)展示的超100安時(shí)單體鋰金屬電池，也是目前全球單體容量最大的鋰金屬電池。
此前，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系助理教授羅光富團(tuán)隊(duì)對(duì)外公布其在鋰金屬負(fù)極材料方面取得的新進(jìn)展，為提高鋰金屬電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供了新思路。
一時(shí)間，鋰金屬電池成為產(chǎn)業(yè)界和投資界討論的熱點(diǎn)話題。
鋰金屬電池與傳統(tǒng)的以石墨或者硅為負(fù)極的電池不同，是將鋰金屬作為負(fù)極的一種技術(shù)路線。鋰金屬具有3860毫安時(shí)/克的高比容量，約為石墨的10倍，可與現(xiàn)有高容量正極體系搭配，從而實(shí)現(xiàn)超出常規(guī)鋰電池40%以上的能量密度，可輕松達(dá)到400瓦時(shí)/千克以上。那么，鋰金屬電池現(xiàn)在發(fā)展到了哪個(gè)階段？它會(huì)成為現(xiàn)有電池行業(yè)的一種主流技術(shù)嗎？其應(yīng)用場(chǎng)景可以在哪里落地？
發(fā)展一路波折
鋰金屬電池并非新的技術(shù)路線，實(shí)際上，人們對(duì)它的關(guān)注比現(xiàn)在常見(jiàn)的鋰離子電池更早。
鋰金屬于1817年被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)，人們很快就認(rèn)識(shí)到，鋰金屬天生就是用來(lái)做電池的材料。從理化性質(zhì)來(lái)看，它具備密度低、容量大并且電勢(shì)低（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極）這些突出特點(diǎn)，這不就是人們理想中的電池材料嗎？
但是鋰金屬本身也有突出的問(wèn)題：它過(guò)于活潑，與水能發(fā)生劇烈反應(yīng)，對(duì)操作環(huán)境要求很高。因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間里人們對(duì)它束手無(wú)策。
直到1958年，美國(guó)加州大學(xué)的哈里斯（William Sidney Harris）在博士論文中正式提出以鋰、鈉等活潑金屬做電池負(fù)極材料的設(shè)想，科學(xué)家們才開(kāi)始了以鋰金屬為負(fù)極的鋰電池的廣泛研究。
經(jīng)過(guò)近30年的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)鋰金屬負(fù)極在工作時(shí)，會(huì)形成一層天然固態(tài)電解質(zhì)界面膜(SEI膜)，可以防止沉積過(guò)程中形成的鋰金屬被電解液腐蝕。但是，隨著沉積的鋰金屬越來(lái)越多，同時(shí)伴隨著不均勻鋰金屬表面形貌的形成（鋰枝晶生長(zhǎng)），SEI膜最終會(huì)被撐破。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，一部分鋰金屬被暴露在充滿電解液的環(huán)境，這會(huì)對(duì)電池造成直接破壞，結(jié)果會(huì)引發(fā)正負(fù)極直接親密接觸，從而造成電池內(nèi)部的短路。
于是，20世紀(jì)80年代末期，在加拿大公司Moli Energy推出的第一代鋰金屬商業(yè)電池爆炸多次后，科學(xué)家們果斷放棄了鋰金屬負(fù)極而使用石墨負(fù)極，鋰金屬電池自此也悄然退居行業(yè)的幕后沉寂下來(lái)。到了20世紀(jì)90年代末期，以石墨為負(fù)極材料的鋰離子電池成熟之后，金屬鋰電池便更加無(wú)人問(wèn)津，進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)間的沉寂期。
值得關(guān)注的是，2000年之后有三種鋰電池負(fù)極材料一直在相互競(jìng)爭(zhēng)：一是最成熟的石墨負(fù)極材料，基于此的鋰離子電池的理論能量密度極限約300瓦時(shí)/千克；二是目前很有競(jìng)爭(zhēng)力的硅碳/硅氧負(fù)極材料，基于此的鋰離子電池的理論能量密度極限約400瓦時(shí)/千克，但目前應(yīng)用有限；第三種就是鋰金屬負(fù)極材料，鋰金屬電池理論能量密度極限超過(guò)500瓦時(shí)/千克，對(duì)應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程可超過(guò)1200千米。
直到2010年之后，鋰金屬電池再次成為產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)重要方向。從全球范圍來(lái)看，主要是美國(guó)的一些創(chuàng)業(yè)公司，包括SES、Quantum Scape、Solid Power等開(kāi)始在這一領(lǐng)域加大布局。
2022年推出A樣品
經(jīng)過(guò)近十年的不懈努力，全球的鋰金屬電池有所突破。
11月4日，擬在紐交所上市的SES公司對(duì)外發(fā)布Apollo混合鋰金屬電池，其容量高達(dá)107安時(shí)，質(zhì)量?jī)H為0.982千克，質(zhì)量、體積能量密度分別為417瓦時(shí)/千克、935瓦時(shí)/升，在室溫下進(jìn)行10小時(shí)、3小時(shí)和1小時(shí)放電測(cè)試，Apollo電池均展現(xiàn)出極高的容量和能量密度。
SES創(chuàng)始人兼CEO胡啟朝公開(kāi)表示，Apollo電池還需要進(jìn)一步的測(cè)試和優(yōu)化，但其目前展示出的性能表現(xiàn)已經(jīng)令人非常振奮。汽車(chē)需要在不同的運(yùn)行環(huán)境和溫度狀態(tài)下工作，不管是冷、熱，還是快速、慢速行駛，都需要具備穩(wěn)定的表現(xiàn)。因此，電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池需要能夠在廣泛的溫度和功率范圍內(nèi)提供高能量密度。從數(shù)據(jù)上來(lái)看，混合鋰金屬電池的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于固態(tài)電池。
SES選擇的混合鋰金屬電池兼具傳統(tǒng)鋰離子電池和固態(tài)鋰金屬電池的優(yōu)點(diǎn)——可制造性好且能量密度高。與當(dāng)前鋰離子電池260瓦時(shí)/千克左右的能量密度相比，SES混合鋰金屬電池在重量更小的情況下，能提升43%能量密度。從壽命周期和快充角度來(lái)看，混合鋰金屬電池都表現(xiàn)出優(yōu)秀的性能。
不過(guò)，混合鋰金屬電池仍處于實(shí)驗(yàn)室水平階段，SES正與通用汽車(chē)、現(xiàn)代汽車(chē)公司開(kāi)展A樣品合作，計(jì)劃2022年推出車(chē)用級(jí)鋰金屬電池A樣品，2024年提供C樣品，2025年正式開(kāi)啟鋰金屬電池的商業(yè)化量產(chǎn)。
混合鋰金屬電池未來(lái)仍然存在安全性難題。胡啟朝坦誠(chéng)，能量密度越高，安全性越難保證。SES計(jì)劃用硬件、軟件雙重手段控制安全風(fēng)險(xiǎn)，包括運(yùn)用基于人工智能學(xué)習(xí)的電池安全算法預(yù)測(cè)隱患。
與SES不同的是，全球第一家上市的固態(tài)電池公司Quantum Scape選擇的則是固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)路線。
所謂固態(tài)鋰金屬電池，其與混合鋰金屬電池的區(qū)別體現(xiàn)在前者用固態(tài)電解質(zhì)替代電解液，而后者仍然要使用液態(tài)電解液。
早在2020年年底，QuantumScape就宣布了首個(gè)在商業(yè)上可行的固態(tài)鋰金屬電池解決方案。其宣稱(chēng)可將電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程增加多達(dá)80%，并且支持在15分鐘內(nèi)將電量從0充到80% 。
2021年11月2日，QuantumScape公司就其固態(tài)鋰金屬電池的性能，發(fā)布了一份獨(dú)立第三方實(shí)驗(yàn)室Mobile Power Solutions的測(cè)試報(bào)告。
結(jié)果顯示，它的單層電芯能夠滿足汽車(chē)相關(guān)條件，在25攝氏度1C(1小時(shí))充放電速率、100%放電深度和3.4個(gè)大氣壓下，可以實(shí)現(xiàn)800次以上循環(huán)。這些測(cè)試結(jié)果（涵蓋一組三個(gè)單層電芯）與其2020年12月最初報(bào)告的結(jié)果一致。
QuantumScape預(yù)測(cè)，2022年有望將交付原型推進(jìn)到數(shù)十層的固態(tài)電池，并在2024～2025年間進(jìn)入商業(yè)生產(chǎn)。
此外，美國(guó)另外一家創(chuàng)業(yè)公司Solid Powerr提出的金屬鋰電池ASSB正好有22層，有望在2022年初進(jìn)入正式的汽車(chē)資格認(rèn)證程序，也就是所謂的A樣品階段，預(yù)計(jì)可行的汽車(chē)固態(tài)金屬鋰電池要在2026年才能準(zhǔn)備好。
面臨三大挑戰(zhàn)
目前從全球來(lái)看，鋰金屬電池仍然處于早期階段。其量產(chǎn)主要存在三大挑戰(zhàn)。
首先是生產(chǎn)層面的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)芟?。胡啟朝公開(kāi)表示，雖然鋰金屬電池與鋰離子電池有超過(guò)60%的重合度，但在負(fù)極材料研發(fā)方面，目前全球極少有企業(yè)能夠批量生產(chǎn)超薄、超寬的鋰金屬材料。
其次是加工工藝不給力。先進(jìn)的加工方法為開(kāi)發(fā)和改良新材料創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，但尚有諸多與材料和界面有關(guān)的挑戰(zhàn)仍未解決。根據(jù)美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究，固態(tài)金屬鋰電池的一個(gè)處理科學(xué)空白是確定是否存在一種增強(qiáng)薄固體電解質(zhì)和厚正極，而不妨礙運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制。這種材料特性，需要產(chǎn)業(yè)界有新的工藝以有效地處理薄的非晶態(tài)材料，眾所周知的方法，例如沉淀硬化、相變?cè)鲰g和回火，可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)陶瓷和暴力材料，但是對(duì)于固體電解質(zhì)，尚未見(jiàn)報(bào)道類(lèi)似的機(jī)理，目前產(chǎn)業(yè)界還沒(méi)有找到成功的方法。
最后是整個(gè)研究范式存在局限。中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所在材料科學(xué)與工程研究領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)期刊《今日材料》發(fā)文稱(chēng)，僅僅通過(guò)依靠電化學(xué)表征來(lái)驗(yàn)證鋰金屬電極的循環(huán)性能具有一定的局限性，提議使用更廣泛、全面的基礎(chǔ)研究測(cè)試方法以增強(qiáng)人們對(duì)鋰金屬電極工作原理的理解。
該文章還特別強(qiáng)調(diào)，只是通過(guò)抑制枝晶狀形貌鋰的產(chǎn)生并不能推動(dòng)鋰金屬電池從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)應(yīng)用，當(dāng)前的主要研究?jī)?nèi)容應(yīng)放在電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的沉積鋰的化學(xué)、電化學(xué)本質(zhì)及其產(chǎn)生機(jī)制。
對(duì)于國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界而言，一個(gè)值得關(guān)注消息是，金羽新能于日前完成了Pre-A輪融資，融資金額達(dá)到數(shù)千萬(wàn)級(jí)別。本輪融資由北京大學(xué)的首支成果轉(zhuǎn)化基金，以及能源行業(yè)的產(chǎn)業(yè)資本聯(lián)合投資。
目前金羽新能開(kāi)發(fā)的鋰金屬電池已在軍用、測(cè)繪、市政儲(chǔ)能、智能手表、腦機(jī)接口、TWS藍(lán)牙耳機(jī)等領(lǐng)域開(kāi)展試用。這些場(chǎng)景對(duì)電池的安全性和能量密度要求較高，個(gè)性化程度也較強(qiáng)。黃杜斌認(rèn)為，生產(chǎn)企業(yè)需要根據(jù)客戶(hù)需求和已有的技術(shù)做定制化產(chǎn)品，對(duì)設(shè)計(jì)能力和長(zhǎng)期技術(shù)積累要求很高。圖片
