鋰金屬電池：高比能動(dòng)力電池的“終極方案”？

新能源汽車的競(jìng)爭(zhēng)壓力，正傳導(dǎo)至動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)。

2024年，在原材料價(jià)格波動(dòng)和行業(yè)產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性過(guò)剩的大背景下，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入變革期。從一兩年前的“少電、缺電、貴電”到如今的“內(nèi)卷”，行業(yè)的淘汰賽提前到來(lái)。

技術(shù)創(chuàng)新和降本增效，成為企業(yè)破“卷”的兩大核心路徑。

降本增效不難理解。通過(guò)降低采購(gòu)成本、精益生產(chǎn)等方式，動(dòng)力電池企業(yè)多措并舉降低成本，提升性價(jià)比，意圖在激烈競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟。

更為重要的是，當(dāng)下，動(dòng)力電池的玩家們已經(jīng)意識(shí)到下游市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新及差異化的需求。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，搶先布局前瞻技術(shù)，成為決勝未來(lái)的關(guān)鍵所在。

其中，現(xiàn)有電池體系的材料創(chuàng)新是重點(diǎn)突破的方向之一。特別是在高比能技術(shù)路線上，從高電壓的中鎳、高鎳，到超高鎳正極，再到硅基負(fù)極、鋰金屬負(fù)極，新興高能量密度正負(fù)極領(lǐng)域多技術(shù)解決方案競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展，為動(dòng)力電池提供了性能飛躍的想象空間。

目前，盟維科技產(chǎn)品級(jí)安全高比能鋰金屬電池已在特定場(chǎng)景中得到用戶驗(yàn)證，隨著技術(shù)迭代升級(jí)，循環(huán)壽命不斷提升，量產(chǎn)制造工藝日趨成熟，鋰金屬電池在新能源汽車中的應(yīng)用將逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)視野。

圍繞鋰金屬電池的發(fā)展現(xiàn)狀，本文試圖回答以下三個(gè)方面的問(wèn)題。

1、什么是鋰金屬電池？

2、鋰金屬電池為何被稱為高比能電池技術(shù)路線的“終極解決方案”？

3、鋰金屬電池商業(yè)化，還需解決哪些關(guān)鍵問(wèn)題？

動(dòng)力電池的“荊棘圣杯”

全球電動(dòng)化能源革命的到來(lái)，對(duì)動(dòng)力電池提出了越來(lái)越高的要求。

從海面上的游輪交通，到地面上的新能源汽車，再到低空無(wú)人機(jī)、通航載人機(jī)、平流層無(wú)人機(jī)等，電動(dòng)化大行其道的背后，離不開動(dòng)力電池技術(shù)的突飛猛進(jìn)。反過(guò)來(lái)，應(yīng)用需求的精細(xì)分化，也推動(dòng)動(dòng)力電池不斷拓寬技術(shù)邊界。

盡管應(yīng)用場(chǎng)景不盡相同，但從各國(guó)的動(dòng)力電池規(guī)劃路線看，高能量密度是動(dòng)力電池的長(zhǎng)期發(fā)展方向，各國(guó)普遍計(jì)劃在2030年前后實(shí)現(xiàn)單體電芯500Wh/kg。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，絕非易事。

當(dāng)下，新能源汽車行業(yè)商業(yè)化的動(dòng)力電池主要是三元鋰及磷酸鐵鋰兩大技術(shù)路線，并沿各自的技術(shù)路線升級(jí)迭代，進(jìn)行成本與性能的綜合競(jìng)爭(zhēng)。但無(wú)論是三元鋰還是磷酸鐵鋰，已實(shí)現(xiàn)的能量密度已經(jīng)接近該技術(shù)路線的“天花板”,進(jìn)一步提升的空間有限。

因此，要想完成能量密度從300Wh/kg向400Wh/kg、500Wh/kg跨越式提升，還需要研發(fā)新一代電池技術(shù)。

當(dāng)前，電池技術(shù)創(chuàng)新大體圍繞兩方面：一個(gè)是在當(dāng)前鋰離子電池基礎(chǔ)上進(jìn)行“材料創(chuàng)新”，如正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液等四大材料創(chuàng)新等；另一個(gè)是“體系創(chuàng)新”，如固態(tài)電池等。

電池結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化決定了材料能量密度能否得到充分釋放，而電極活性材料的迭代，才是決定能量密度的天花板。有分析認(rèn)為，面向未來(lái)，要實(shí)現(xiàn)電池能量密度向400Wh/kg、500Wh/kg的突破，從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新發(fā)展到材料創(chuàng)新是必然趨勢(shì)。

鋰金屬電池，則被視為下一代電池體系的“潛力股”。

直到近年來(lái)，隨著石墨負(fù)極材料和硅碳/硅氧負(fù)極材料鋰離子電池的能量密度發(fā)展逐漸接近極限，鋰金屬再次成為電池動(dòng)力產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。

在備受科學(xué)界追捧背后，是鋰金屬電池具有的獨(dú)特魔力。

材料本征性上，金屬鋰具有最高的滿電狀態(tài)理論比容量（3860mAh/g），以及最低的電化學(xué)電位(-3.04V vs. SHE)，這些理想的負(fù)極性質(zhì)都有利于電池實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。

技術(shù)終局性上，鋰金屬先天含有鋰離子，未來(lái)還可搭配硫、空氣等不含鋰離子的高比容量正極材料。

因此，金屬鋰被認(rèn)為是高能可充電電池中替代石墨負(fù)極的終極負(fù)極材料，鋰金屬電池也被稱為是動(dòng)力電池領(lǐng)域的“荊棘圣杯”。

2021年，《麻省理工科技評(píng)論》（MITTechnologyReview）就曾將鋰金屬電池列為當(dāng)年十大突破性技術(shù)（10BreakthroughTechnologies），與mRNA疫苗、生成式預(yù)訓(xùn)練模型、數(shù)據(jù)信托等技術(shù)并列。

鋰金屬電池前景光明，面臨的挑戰(zhàn)也有不少，鋰枝晶生成導(dǎo)致安全隱患、不穩(wěn)定的SEI（SolidElectrolyteInterface，固體電解質(zhì)界面）影響循環(huán)壽命等問(wèn)題仍待逐步攻克。但從某種程度上來(lái)說(shuō)，作為最具突破性的技術(shù)之一，對(duì)鋰金屬電池的研究必須未雨綢繆，防止技術(shù)顛覆的風(fēng)險(xiǎn)。

從無(wú)人飛行器、eVTOL到電動(dòng)汽車

曾有研究報(bào)告指出，90%的科研成果還沒(méi)走向市場(chǎng)，就被埋沒(méi)在從基礎(chǔ)研究到商品化的過(guò)程中。創(chuàng)新成果從實(shí)驗(yàn)室樣品變?yōu)樯唐返倪^(guò)程，常被人們稱為“死亡之谷”。

動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)循序漸進(jìn)、“沿途下蛋”的過(guò)程，誰(shuí)能更好的在技術(shù)、規(guī)模、市場(chǎng)、成本之間找到平衡，誰(shuí)便更有可能把創(chuàng)新成果帶出實(shí)驗(yàn)室。

鋰金屬電池的商業(yè)化，同樣要穿越這條“死亡之谷”。在周莉莎看來(lái)，滿足應(yīng)用場(chǎng)景需要的綜合性能指標(biāo)是鋰金屬電池商業(yè)化的核心，而應(yīng)用安全、循環(huán)壽命、可制造性是其中關(guān)鍵。

對(duì)于動(dòng)力電池，應(yīng)用安全是永恒的話題。且動(dòng)力電池能量密度越高，相應(yīng)安全技術(shù)的要求一般也越強(qiáng)。同時(shí)電池安全保障包括有科學(xué)研究、本質(zhì)安全、主動(dòng)安全、被動(dòng)安全、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)等多個(gè)維度。

在材料層面，高比能鋰金屬電池應(yīng)用安全所面臨的挑戰(zhàn)主要在于鋰枝晶刺穿隔膜導(dǎo)致的短路風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù)周莉莎介紹，盟維自主研發(fā)了新型阻燃電解液技術(shù)，有效抑制了鋰枝晶的生長(zhǎng)。值得一提的是，在嚴(yán)苛的針刺模擬短路的過(guò)程中，鋰金屬電池依然可以保持穩(wěn)定的安全性。

如果說(shuō)應(yīng)用安全是鋰金屬電池商業(yè)化的“入場(chǎng)券”，循環(huán)壽命就是影響其應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵指標(biāo)。由于金屬鋰是一種非常活潑的金屬，鋰金屬電池在電池循環(huán)的過(guò)程中容易被電解液腐蝕，導(dǎo)致電池快速容量衰減，不利于電池的長(zhǎng)循環(huán)。

為此，盟維在鋰負(fù)極保護(hù)層構(gòu)筑技術(shù)上取得突破，實(shí)現(xiàn)了鋰金屬均勻沉積及SEI層的動(dòng)態(tài)修補(bǔ)。通過(guò)一系列技術(shù)創(chuàng)新，盟維大幅提高鋰金屬電池的循環(huán)壽命，實(shí)現(xiàn)了100%DOD深度充放電循環(huán)壽命>500圈。

在可制造性上，鋰金屬電池面臨負(fù)極高反應(yīng)活性、柔軟易黏結(jié)、電池工藝未成熟等痛點(diǎn)。盟維自研鋰金屬軟包電池生產(chǎn)工藝，首創(chuàng)了鋰金屬電池自動(dòng)化制造產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了鋰金屬電池的規(guī)模化生產(chǎn)。

“任何一項(xiàng)新興技術(shù)從發(fā)展到商業(yè)化落地，必將會(huì)經(jīng)歷一個(gè)從技術(shù)驅(qū)動(dòng)到市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)再到規(guī)模驅(qū)動(dòng)的過(guò)程。”周莉莎認(rèn)為，由于其高能特性，鋰金屬電池優(yōu)先在無(wú)人機(jī)、eVTOL這樣一些低空?qǐng)鼍暗玫綉?yīng)用。隨著在應(yīng)用市場(chǎng)實(shí)際場(chǎng)景中的驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)，鋰金屬電池技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，并通過(guò)電動(dòng)汽車應(yīng)用場(chǎng)景走入更多人的視野。

事實(shí)上，盟維的一系列實(shí)踐，正為鋰金屬電池的商業(yè)化落地探索一條具有借鑒價(jià)值的路徑。

自2018年成立以來(lái)，盟維以電動(dòng)航空實(shí)際應(yīng)用需求為起點(diǎn)，研發(fā)了以金屬鋰為負(fù)極的高能量密度電池，成為全球首個(gè)突破鋰金屬電池技術(shù)瓶頸、全球最早完成批量交付500Wh/kg高能量密度、高安全性新體系動(dòng)力電池的企業(yè)。

目前，盟維產(chǎn)品級(jí)安全高比能鋰金屬電池METARY系列已經(jīng)在多種無(wú)人飛行器的應(yīng)用場(chǎng)景得到客戶驗(yàn)證。同時(shí)，盟維針對(duì)新能源汽車所開發(fā)的METAXELL系列大容量鋰電池原型樣品，經(jīng)過(guò)500次深度充放電循環(huán)，容量保持率仍高于80%以上。

“基于材料研究及工程技術(shù)層面的不斷創(chuàng)新，預(yù)期到2025年，鋰金屬電池動(dòng)力電池產(chǎn)品循環(huán)壽命可達(dá)1000次，具備大規(guī)模應(yīng)用于新能源汽車市場(chǎng)的基礎(chǔ)條件。”周莉莎說(shuō)。

尾聲

毫無(wú)疑問(wèn)的是，上游原材料供應(yīng)不穩(wěn)定導(dǎo)致劇烈的價(jià)格波動(dòng)、中游新電池化學(xué)體系技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，疊加下游應(yīng)用場(chǎng)景精細(xì)分化等因素，正驅(qū)動(dòng)動(dòng)力電池技術(shù)的持續(xù)變革。以鋰金屬電池為代表的下一代動(dòng)力電池，已經(jīng)駛?cè)肷虡I(yè)化新階段。

誠(chéng)然，要實(shí)現(xiàn)從原型開發(fā)、量產(chǎn)試制再到量產(chǎn)裝車，鋰金屬電池還需在兼顧高安全、高能量密度的同時(shí)大幅度提升循環(huán)壽命，滿足經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境適應(yīng)性等核心指標(biāo)。但對(duì)于亟待實(shí)現(xiàn)“續(xù)航自由”的新能源汽車來(lái)說(shuō)，鋰金屬電池是不能錯(cuò)過(guò)的一大方向。