“億緯鋰能布局的下一代電池技術(shù)路線包括固態(tài)電池、鋰金屬電池等。我們一直是全球用金屬鋰最大的公司，鋰金屬電池我們當仁不讓。”億緯鋰能董事長劉金成在今年年初如是表示。據(jù)悉，億緯的鋰金屬電池已經(jīng)做到450Wh/kg的能量密度，循環(huán)壽命800多次，在一些特殊而較有前景的應(yīng)用場景得到應(yīng)用。

除了億緯鋰能外，寧德時代也在布局鋰金屬電池。4月15日，據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局公告，寧德時代取得一項名為“三維復合金屬鋰負極和金屬鋰電池與裝置”的專利。專利摘要顯示，所述復合金屬鋰負極包括金屬鋰顆粒和三維聚合物骨架，其中所述金屬鋰顆粒填充于所述三維聚合物骨架中，所述三維聚合物骨架包括親鋰片段、活性位點和含聚合物的部分。

“鋰金屬負極電池被認為是電池的圣杯，因為它們的容量是商用石墨負極的10倍，可以大大增加電動汽車的行駛距離。”今年年初，美國哈佛大學工程與應(yīng)用科學學院(SEAS)研究人員在學術(shù)期刊上發(fā)表了一種新型鋰金屬電池研究成果，可以充放電循環(huán)至少6000次，而且可以在幾分鐘內(nèi)完成充電。

截至目前，除了寧德時代和億緯鋰能外，包括天齊鋰業(yè)、SES、太藍新能源、安徽盟維、欣旺達、LG新能源、SK等鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，以及吉利、上汽、通用、本田、現(xiàn)代等國內(nèi)外車企也都在積極布局鋰金屬電池。

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技術(shù)取得大突破

“面向未來實現(xiàn)400Wh/kg、500Wh/kg的突破，整個正極迭代方向在往高鎳、超高鎳或者富鋰錳的方向發(fā)展。負極方向勢必從石墨到硅碳再往鋰金屬方向發(fā)展。鋰金屬電池體系可以說是高比能電池技術(shù)路線的終極解決方案。”安徽盟維聯(lián)合創(chuàng)始人、CEO周莉莎表示。

鋰金屬電池以超高能量密度而著稱，它和鋰離子電池最大的區(qū)別在于負極材料。鋰離子電池負極采用的是石墨、硅基材料，而鋰金屬電池則采用“鋰金屬”。業(yè)內(nèi)人士指出，鋰金屬作為負極材料，理論容量高達3860mAh/g，大約為石墨的10倍，與現(xiàn)有鋰離子電池正極體系搭配，能夠使電池能量密度輕松達到400Wh/kg以上。

“鋰是自然界中質(zhì)量最輕的金屬，所以鋰金屬電池可以在輕量化的同時，實現(xiàn)很高的能量密度。對于電動汽車而言，可以因此大幅提高續(xù)航里程。”美國混合鋰金屬電池廠商SES創(chuàng)始人兼CEO胡啟朝表示。不過同時，由于金屬鋰負極的活性極強，因此給鋰金屬電池的安全性帶來更大的挑戰(zhàn)。

事實上，長期以來“負極表面枝晶”是鋰金屬電池商業(yè)化面臨的一個巨大障礙。業(yè)內(nèi)人士指出，枝晶的形成發(fā)生在充電過程中，鋰離子從正極移動到負極，并通過一種稱為電鍍的過程附著在負極表面。這種電鍍過程會導致負極表面不均勻，為枝晶的形成創(chuàng)造條件。這些枝晶會向電解質(zhì)生長，刺穿隔膜，導致電池短路甚至起火。

電池中國注意到，寧德時代似乎在解決“鋰金屬電池枝晶”方面取得了突破。“本申請改善了金屬鋰負極在充放電過程中的體積效應(yīng)，能夠抑制金屬鋰與電解液的副反應(yīng);增大了金屬鋰負極的比表面積，引入了親鋰的納米位點，從而能夠引導金屬鋰均勻沉積，可有效抑制鋰枝晶生長;此外，三維骨架包覆活性鋰，可有效抑制傳統(tǒng)方案面臨的SEI膜較脆的風險。”寧德時代在專利申請中描述。

“經(jīng)過近10年的攻關(guān)研究，我們認為采用鋰金屬為負極材料的全固態(tài)金屬電池是固態(tài)電池的最優(yōu)發(fā)展方向。”寧德時代中國區(qū)乘用車解決方案部總裁項延火曾如是表示。他指出，鋰金屬電池技術(shù)可從本質(zhì)提升電池安全性和能量密度，因此寧德時代將持續(xù)投入，在關(guān)鍵技術(shù)和工藝方面與行業(yè)同仁共同攻克。

突破枝晶技術(shù)的并非只有寧德時代。SEAS發(fā)表的論文則顯示，該鋰金屬電池研發(fā)團隊通過在負極中使用微米級硅顆粒，成功限制了枝晶的形成。這些硅顆粒能夠約束鋰化反應(yīng)，促進鋰金屬的均勻電鍍形成厚層。該研究團隊表示，“由于電鍍和剝離過程可以在平坦的表面上快速發(fā)生，這種電池可以在約10分鐘內(nèi)完成充電。”

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商業(yè)化應(yīng)用提速

作為一種能量密度極高的電池技術(shù)，鋰金屬電池受到全球眾多企業(yè)的重視。2022年2月，SES在紐交所上市，成為全球第一家上市的混合鋰金屬電池企業(yè)。電池中國注意到，鋰業(yè)巨頭天齊鋰業(yè)是該公司重要股東之一。除此之外，SES還吸引了包括吉利、上汽、通用、本田、現(xiàn)代起亞、SK等新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈重量級企業(yè)的投資。

SES確實實力不凡。去年12月，SES宣布已與一家車企簽署鋰金屬電池B樣品協(xié)議，這是全球范圍內(nèi)鋰金屬電池首次進入B樣品測試階段。據(jù)了解，SES曾在2021年發(fā)布世界上首個車規(guī)級鋰金屬A樣品，能量密度可達417Wh/kg。

根據(jù)規(guī)劃，SES預計在2024年啟動1GWh的鋰金屬電池量產(chǎn)試點設(shè)施，2025年啟動首個10GWh的電池工廠，該電池工廠產(chǎn)能預計在2027年將增加至30GWh。

電池中國注意到，寧德時代“老對手”LG新能源則計劃2028年開發(fā)出高體積能量密度的鋰金屬電池，電池體積能量密度能夠達到約1000Wh/L。“為了提高耐久性和循環(huán)壽命，我們一直在通過開發(fā)穩(wěn)定的電解質(zhì)、保護層和先進的材料來提高鋰金屬負極的可逆性。這種鋰金屬電池將適用于高續(xù)航里程的電動車和機器人，它們需要在有限的體積內(nèi)獲得更高的能量。”LG新能源表示。

近期，中國企業(yè)方面又傳來好消息。太藍新能源對外宣布，公司成功研發(fā)出車規(guī)級單體容量120Ah、實測能量密度高達720Wh/kg的超高能量密度體型化全固態(tài)鋰金屬電池。業(yè)內(nèi)分析認為，太藍新能源有望在國內(nèi)率先實現(xiàn)全固態(tài)鋰金屬電池的量產(chǎn)裝車，為電動汽車行業(yè)帶來顛覆性改變。

除了應(yīng)用于電動汽車上，鋰金屬電池在電動航空場景中的應(yīng)用也在加速推進。據(jù)了解，盟維科技開發(fā)出多種能量型、功率型、循環(huán)型鋰金屬電池產(chǎn)品，在多種電動航空場景得到應(yīng)用。其中，單體級鋰金屬電芯能量密度高達500Wh/kg以上，系統(tǒng)級鋰金屬電池能量密度超過400Wh/kg。