中國儲能網訊：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。
2021年11月2日，鋰金屬電池生產商北京金羽新能科技有限公司（以下簡稱“金羽新能”）對外宣布，我國首條鋰金屬電池生產線已落成，能量密度為360瓦時/千克的電池已完成B樣品，可應用在無人機上提高20%的續(xù)航，可將電動汽車續(xù)航里程提升至800千米；能量密度為420瓦時/千克的電池已完成A樣品，可將電動汽車續(xù)航里程提升至1200千米。
11月4日，美國混合鋰金屬電池開發(fā)者和制造商Solid Energy Systems（SES ）公司正式對外發(fā)布Apollo鋰金屬電池。這塊電池的容量為107安時，質量僅為0.982千克，質量、體積能量密度分別為417瓦時/千克、935瓦時/升。這是世界上首次公開展示的超100安時單體鋰金屬電池，也是目前全球單體容量最大的鋰金屬電池。
此前，南方科技大學材料科學與工程系助理教授羅光富團隊對外公布其在鋰金屬負極材料方面取得的新進展，為提高鋰金屬電池的長期穩(wěn)定性提供了新思路。
一時間，鋰金屬電池成為產業(yè)界和投資界討論的熱點話題。
鋰金屬電池與傳統(tǒng)的以石墨或者硅為負極的電池不同，是將鋰金屬作為負極的一種技術路線。鋰金屬具有3860毫安時/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，從而實現(xiàn)超出常規(guī)鋰電池40%以上的能量密度，可輕松達到400瓦時/千克以上。那么，鋰金屬電池現(xiàn)在發(fā)展到了哪個階段？它會成為現(xiàn)有電池行業(yè)的一種主流技術嗎？其應用場景可以在哪里落地？
發(fā)展一路波折
鋰金屬電池并非新的技術路線，實際上，人們對它的關注比現(xiàn)在常見的鋰離子電池更早。
鋰金屬于1817年被人類發(fā)現(xiàn)，人們很快就認識到，鋰金屬天生就是用來做電池的材料。從理化性質來看，它具備密度低、容量大并且電勢低（相對于標準氫電極）這些突出特點，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題：它過于活潑，與水能發(fā)生劇烈反應，對操作環(huán)境要求很高。因此在很長一段時間里人們對它束手無策。
直到1958年，美國加州大學的哈里斯（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極材料的設想，科學家們才開始了以鋰金屬為負極的鋰電池的廣泛研究。
經過近30年的研究，科學家們發(fā)現(xiàn)鋰金屬負極在工作時，會形成一層天然固態(tài)電解質界面膜(SEI膜)，可以防止沉積過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越多，同時伴隨著不均勻鋰金屬表面形貌的形成（鋰枝晶生長），SEI膜最終會被撐破。當這種情況發(fā)生時，一部分鋰金屬被暴露在充滿電解液的環(huán)境，這會對電池造成直接破壞，結果會引發(fā)正負極直接親密接觸，從而造成電池內部的短路。
于是，20世紀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，科學家們果斷放棄了鋰金屬負極而使用石墨負極，鋰金屬電池自此也悄然退居行業(yè)的幕后沉寂下來。到了20世紀90年代末期，以石墨為負極材料的鋰離子電池成熟之后，金屬鋰電池便更加無人問津，進入長時間的沉寂期。
值得關注的是，2000年之后有三種鋰電池負極材料一直在相互競爭：一是最成熟的石墨負極材料，基于此的鋰離子電池的理論能量密度極限約300瓦時/千克；二是目前很有競爭力的硅碳/硅氧負極材料，基于此的鋰離子電池的理論能量密度極限約400瓦時/千克，但目前應用有限；第三種就是鋰金屬負極材料，鋰金屬電池理論能量密度極限超過500瓦時/千克，對應電動汽車續(xù)航里程可超過1200千米。
直到2010年之后，鋰金屬電池再次成為產業(yè)化的一個重要方向。從全球范圍來看，主要是美國的一些創(chuàng)業(yè)公司，包括SES、Quantum Scape、Solid Power等開始在這一領域加大布局。
2022年推出A樣品
經過近十年的不懈努力，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公司對外發(fā)布Apollo混合鋰金屬電池，其容量高達107安時，質量僅為0.982千克，質量、體積能量密度分別為417瓦時/千克、935瓦時/升，在室溫下進行10小時、3小時和1小時放電測試，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胡啟朝公開表示，Apollo電池還需要進一步的測試和優(yōu)化，但其目前展示出的性能表現(xiàn)已經令人非常振奮。汽車需要在不同的運行環(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，電動汽車的動力電池需要能夠在廣泛的溫度和功率范圍內提供高能量密度。從數(shù)據(jù)上來看，混合鋰金屬電池的性能遠遠好于固態(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——可制造性好且能量密度高。與當前鋰離子電池260瓦時/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看，混合鋰金屬電池都表現(xiàn)出優(yōu)秀的性能。
不過，混合鋰金屬電池仍處于實驗室水平階段，SES正與通用汽車、現(xiàn)代汽車公司開展A樣品合作，計劃2022年推出車用級鋰金屬電池A樣品，2024年提供C樣品，2025年正式開啟鋰金屬電池的商業(yè)化量產。
混合鋰金屬電池未來仍然存在安全性難題。胡啟朝坦誠，能量密度越高，安全性越難保證。SES計劃用硬件、軟件雙重手段控制安全風險，包括運用基于人工智能學習的電池安全算法預測隱患。
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就宣布了首個在商業(yè)上可行的固態(tài)鋰金屬電池解決方案。其宣稱可將電動汽車的續(xù)航里程增加多達80%，并且支持在15分鐘內將電量從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)布了一份獨立第三方實驗室Mobile Power Solutions的測試報告。
結果顯示，它的單層電芯能夠滿足汽車相關條件，在25攝氏度1C(1小時)充放電速率、100%放電深度和3.4個大氣壓下，可以實現(xiàn)800次以上循環(huán)。這些測試結果（涵蓋一組三個單層電芯）與其2020年12月最初報告的結果一致。
QuantumScape預測，2022年有望將交付原型推進到數(shù)十層的固態(tài)電池，并在2024～2025年間進入商業(yè)生產。
此外，美國另外一家創(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年初進入正式的汽車資格認證程序，也就是所謂的A樣品階段，預計可行的汽車固態(tài)金屬鋰電池要在2026年才能準備好。
面臨三大挑戰(zhàn)
目前從全球來看，鋰金屬電池仍然處于早期階段。其量產主要存在三大挑戰(zhàn)。
首先是生產層面的產業(yè)鏈受限。胡啟朝公開表示，雖然鋰金屬電池與鋰離子電池有超過60%的重合度，但在負極材料研發(fā)方面，目前全球極少有企業(yè)能夠批量生產超薄、超寬的鋰金屬材料。
其次是加工工藝不給力。先進的加工方法為開發(fā)和改良新材料創(chuàng)造了機會，但尚有諸多與材料和界面有關的挑戰(zhàn)仍未解決。根據(jù)美國橡樹嶺國家實驗室的研究，固態(tài)金屬鋰電池的一個處理科學空白是確定是否存在一種增強薄固體電解質和厚正極，而不妨礙運輸?shù)臋C制。這種材料特性，需要產業(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、相變增韌和回火，可以增強結構陶瓷和暴力材料，但是對于固體電解質，尚未見報道類似的機理，目前產業(yè)界還沒有找到成功的方法。
最后是整個研究范式存在局限。中國科學院青島生物能源與過程研究所在材料科學與工程研究領域的專業(yè)期刊《今日材料》發(fā)文稱，僅僅通過依靠電化學表征來驗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、全面的基礎研究測試方法以增強人們對鋰金屬電極工作原理的理解。
該文章還特別強調，只是通過抑制枝晶狀形貌鋰的產生并不能推動鋰金屬電池從實驗室走向市場應用，當前的主要研究內容應放在電化學循環(huán)過程中產生的沉積鋰的化學、電化學本質及其產生機制。
對于國內產業(yè)界而言，一個值得關注消息是，金羽新能于日前完成了Pre-A輪融資，融資金額達到數(shù)千萬級別。本輪融資由北京大學的首支成果轉化基金，以及能源行業(yè)的產業(yè)資本聯(lián)合投資。
目前金羽新能開發(fā)的鋰金屬電池已在軍用、測繪、市政儲能、智能手表、腦機接口、TWS藍牙耳機等領域開展試用。這些場景對電池的安全性和能量密度要求較高，個性化程度也較強。黃杜斌認為，生產企業(yè)需要根據(jù)客戶需求和已有的技術做定制化產品，對設計能力和長期技術積累要求很高。圖片
