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鋰金屬電池與硫化物全固態(tài)，誰執(zhí)牛耳？
當(dāng)主流的固態(tài)路線面臨重重挑戰(zhàn)，另一條以鋰金屬負(fù)極為核心的技術(shù)路徑正以驚人的速度展現(xiàn)潛力，尤其在電動(dòng)航空等前沿領(lǐng)域率先取得突破。
（下篇）將聚焦鋰金屬電池的“快車道”進(jìn)展，詳解其如何克服鋰枝晶、循環(huán)壽命、制造工藝等核心難題，并探討在多元技術(shù)并行的當(dāng)下，通往超高能量密度電池的真正方向。
挑戰(zhàn)與突圍：鋰金屬電池的“阿喀琉斯之踵”及多元解法
鋰金屬要在鋰電池中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，必須跨越兩大核心障礙：首當(dāng)其沖的是安全問題，其次是循環(huán)壽命的挑戰(zhàn)。
前者主要源于充電過程中鋰離子在負(fù)極表面不均勻沉積，易形成針狀或樹枝狀的鋰枝晶，刺穿隔膜導(dǎo)致內(nèi)短路和熱失控。
后者則涉及金屬鋰與電解液持續(xù)發(fā)生不可逆的副反應(yīng)，消耗活性鋰和電解液，同時(shí)在放電過程中形成“死鋰”，引發(fā)劇烈的體積膨脹，最終導(dǎo)致電芯容量快速衰減。
面對(duì)鋰枝晶這一“阿喀琉斯之踵”，業(yè)界探索出三大類技術(shù)策略。
第一類，也是引發(fā)最多討論的，是通過電解質(zhì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)控。這包括了開發(fā)高濃度或局部高濃度的液態(tài)電解質(zhì)，以及備受關(guān)注的固態(tài)電解質(zhì)方案。
然而，固態(tài)電解質(zhì)并非萬能解藥。
研究指出，鋰枝晶仍可能沿著固態(tài)電解質(zhì)的晶界、裂紋或缺陷處生長，同樣引發(fā)短路風(fēng)險(xiǎn)。
此外，固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極材料之間的“固-固”接觸天然存在較高的界面阻抗，這被認(rèn)為是限制鋰金屬電池體系發(fā)揮其理論能量密度和功率密度的關(guān)鍵瓶頸之一。因此，是否必須采用固態(tài)電解質(zhì)來搭配鋰金屬負(fù)極，業(yè)內(nèi)仍存爭議。
在液態(tài)電解質(zhì)路徑上，一些公司正取得突破。例如，盟維科技主要通過開發(fā)新型阻燃電解液技術(shù)來有效抑制鋰枝晶生長。SES AI則采用“鹽多溶劑少”的高濃度電解液策略，來達(dá)到不易燃、同時(shí)改善鋰枝晶形狀的雙重效果。
第二類策略是結(jié)構(gòu)化鋰金屬負(fù)極。思路類似于硅碳負(fù)極（為硅材料構(gòu)建多孔碳骨架），即為金屬鋰構(gòu)建一個(gè)三維導(dǎo)電骨架，引導(dǎo)鋰離子在骨架內(nèi)部均勻沉積。但這種方法對(duì)實(shí)際的材料制備和電極焊接工藝提出了較高要求。
比亞迪的一項(xiàng)專利則展示了該策略的一種演變：對(duì)負(fù)極集流體進(jìn)行多孔化設(shè)計(jì)，使多孔結(jié)構(gòu)層的電子電導(dǎo)率沿遠(yuǎn)離集流體的方向逐步降低，從而引導(dǎo)鋰離子優(yōu)先在靠近集流體的區(qū)域沉積，避免不均勻沉積。
第三類策略是設(shè)計(jì)負(fù)極保護(hù)層。通過在鋰金屬表面預(yù)先構(gòu)建一層穩(wěn)定界面，如加入含氟、氮等元素的物質(zhì)，形成LiF、Li3N等無機(jī)層，提升鋰金屬的穩(wěn)定性。
但有研究指出，這類無機(jī)保護(hù)層在長期循環(huán)中可能被破壞。通過電解質(zhì)工程原位形成的無機(jī)層在高面積容量下也難以完全抑制巨大的體積變化。對(duì)于追求500 Wh/kg以上的高比能鋰金屬電池，如何在實(shí)際條件下設(shè)計(jì)出穩(wěn)定且適應(yīng)高面積容量的人工保護(hù)層仍是重大挑戰(zhàn)。
寧德時(shí)代的相關(guān)專利則提出，在鋰金屬負(fù)極表面添加一層硅界面層來抑制枝晶生長。
除了電化學(xué)層面的挑戰(zhàn)，可制造性是鋰金屬電池商業(yè)化的另一大難關(guān)，尤其是超薄、超寬鋰負(fù)極的連續(xù)化、規(guī)?；苽洹?/p>
鋰金屬本身極軟、極粘，且與水和空氣反應(yīng)劇烈，這給傳統(tǒng)的電池極片制造工藝帶來了巨大挑戰(zhàn)。
現(xiàn)有的工業(yè)輥壓技術(shù)通常只能加工厚度在50μm以上的鋰箔，進(jìn)一步減薄極易因粘附問題導(dǎo)致鋰帶斷裂。
同時(shí)，鋰金屬的低機(jī)械強(qiáng)度使得其在放卷、收卷過程中對(duì)張力控制精度要求極高，現(xiàn)有鋰電設(shè)備的張力（通常幾十牛頓）足以將其拉斷，且張力波動(dòng)大，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)。這意味著現(xiàn)有的鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)備和工藝無法完全照搬用于鋰金屬電池。
然而，產(chǎn)業(yè)界并未止步于此，一些領(lǐng)先企業(yè)已在超薄鋰負(fù)極的量產(chǎn)工藝上取得突破。
例如，國內(nèi)材料巨頭贛鋒鋰業(yè)，其超薄鋰帶已具備量產(chǎn)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)300mm寬度的超寬幅生產(chǎn)，在技術(shù)難度更高的銅鋰復(fù)合帶中，鋰層厚度則能達(dá)到3微米級(jí)別。贛鋒稱搭載其鋰金屬負(fù)極的固態(tài)電池能量密度可超過500Wh/kg。
據(jù)稱，該公司還可針對(duì)循環(huán)性能、加工性能、電化學(xué)穩(wěn)定性等不同需求提供定制化解決方案，這表明超薄、超寬鋰負(fù)極的規(guī)?；?、定制化供應(yīng)正逐步成為現(xiàn)實(shí)。采用此類先進(jìn)負(fù)極材料的金屬鋰電池，
在此之外，?業(yè)界也在探索多種工藝路徑。一種應(yīng)對(duì)思路是二次減薄。即先采購毫米級(jí)的鋰帶，然后將其夾在上下兩層涂覆硅油的PET保護(hù)膜之間（形成“三明治”結(jié)構(gòu)），通過精密輥壓達(dá)到目標(biāo)厚度（如微米級(jí)），最后再將PET保護(hù)膜剝離。恩力動(dòng)力等公司正聚焦于此方向，值得注意的是，該公司同時(shí)也在攻關(guān)硫化物固態(tài)電解質(zhì)。
在中段的電芯制作環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的將鋰板直接冷壓到銅箔上的方法，難以將兩者厚度同時(shí)壓至5-10微米的超薄水平，限制了電池能量密度的進(jìn)一步提升。
對(duì)此，欣界能源提出了一種創(chuàng)新方案：通過在導(dǎo)電基材上涂布含有鋰金屬的合金液體來形成鋰金屬電極，可以通過調(diào)整涂布厚度來精確控制電極厚度。
近期，日本設(shè)備制造商愛發(fā)科宣布推出針對(duì)鋰金屬的氣相沉積設(shè)備，被視為一個(gè)標(biāo)志性進(jìn)展。通過在真空環(huán)境中進(jìn)行氣相沉積，可以有效抑制雜質(zhì)污染和氧化，獲得比傳統(tǒng)輥壓法表面質(zhì)量更好的鋰薄膜。
總體來看，業(yè)界正圍繞室溫軋制、熔融鋰成型、電化學(xué)沉積、真空蒸鍍以及鋰粉涂敷等多種主流方法，力圖突破超薄鋰金屬負(fù)極的量產(chǎn)瓶頸。
在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的過程中，一些企業(yè)的思路甚至發(fā)生了轉(zhuǎn)變：從必須實(shí)現(xiàn)超薄鋰負(fù)極的批量制備，轉(zhuǎn)向了“無負(fù)極”（Anodeless）電池的概念。美國QuantumScape是這一方向的領(lǐng)軍者，國內(nèi)的太藍(lán)新能源、金羽新能等也已涉足。不少企業(yè)將無負(fù)極視為鋰金屬電池的終極形態(tài)之一。
QuantumScape在其訪談中解釋，其開發(fā)鋰金屬電池的初衷是為了提高能量密度，而他們認(rèn)為通過其固態(tài)電解質(zhì)膜能夠解決鋰枝晶問題并充分發(fā)揮鋰金屬潛力，因此將固態(tài)電解質(zhì)視為實(shí)現(xiàn)鋰金屬商業(yè)化的關(guān)鍵。
在此基礎(chǔ)上，“無負(fù)極”概念被提出，旨在進(jìn)一步減少鋰金屬用量、降低成本并最大化能量密度。其原理是在首次充電時(shí)，鋰離子從正極脫出，直接沉積在負(fù)極集流體上形成鋰金屬負(fù)極；放電時(shí)再從集流體上脫離。
當(dāng)然，“無負(fù)極”設(shè)計(jì)的落地也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：鋰在沉積-剝離過程中會(huì)導(dǎo)致負(fù)極發(fā)生顯著的體積變化，易造成電場分布不均，誘發(fā)枝晶生長和電極結(jié)構(gòu)破壞，從而導(dǎo)致循環(huán)性能快速衰退和安全隱患。
盡管如此，QuantumScape公布其無負(fù)極固態(tài)電池樣品能夠?qū)崿F(xiàn)1000次充放電循環(huán)，測試結(jié)束時(shí)仍保持95%的容量（放電能量保持率）。
另一家美國固態(tài)電池企業(yè)ION也宣布其用于消費(fèi)電子的無負(fù)極電池實(shí)現(xiàn)了超過1000次循環(huán)，并已在半自動(dòng)化產(chǎn)線上生產(chǎn)。這些進(jìn)展表明，“無負(fù)極”并非遙不可及的概念，其潛力正逐步被驗(yàn)證。
鋰金屬vs固態(tài)電池：殊途同歸還是分道揚(yáng)鑣？
審視當(dāng)下鋰電池的技術(shù)演進(jìn)，兩條主線日益清晰：
一條是以固態(tài)電解質(zhì)（尤其是硫化物）為核心，寄望于體系革新，在提升安全性的基礎(chǔ)上，逐步解鎖更高能量密度的潛力；
另一條則是直接聚焦于能量密度的理論天花板——鋰金屬負(fù)極，直接進(jìn)行材料創(chuàng)新，再探索包括先進(jìn)液態(tài)、固液混合乃至全固態(tài)在內(nèi)的多種電解質(zhì)方案，力求率先突破能量瓶頸。
前者似乎正凝聚為一種產(chǎn)業(yè)“共識(shí)”，有明確的路線圖和階段性目標(biāo)。后者則更像多點(diǎn)開花，成果頻出，尤其是在能量密度指標(biāo)上屢創(chuàng)新高。但這并非簡單的路徑選擇題。
因?yàn)闊o論起點(diǎn)如何，終點(diǎn)都指向同一個(gè)目標(biāo)：開發(fā)出兼具超高能量密度、高安全性、長壽命和合理成本的下一代電池，六邊形戰(zhàn)士。
現(xiàn)實(shí)是，固態(tài)電解質(zhì)并非安全的萬能靈藥，其自身的界面問題、特定失效模式下的風(fēng)險(xiǎn)（如鋰枝晶沿晶界生長、硫化物遇水產(chǎn)氣）仍待克服。
而鋰金屬負(fù)極，無論搭配何種電解質(zhì)，都必須直面鋰枝晶生長、體積膨脹和循環(huán)壽命衰減的核心挑戰(zhàn)，盡管已有諸多創(chuàng)新的解決方案正在涌現(xiàn)。
此時(shí)，來自應(yīng)用端的需求成為了重要的“催化劑”和“試金石”。以eVTOL為代表的新興領(lǐng)域，對(duì)400Wh/kg以上能量密度的需求近乎“剛需”，它們不太可能完全按照預(yù)設(shè)的“固態(tài)路線圖”按部就班地等待。
市場的迫切需求，正驅(qū)動(dòng)著那些能夠更快提供高能量密度解決方案的技術(shù)（哪怕并非“全固態(tài)”）加速成熟和驗(yàn)證，正如鋰金屬電池在航空領(lǐng)域的快速導(dǎo)入。
這就引出了一個(gè)關(guān)鍵問題：當(dāng)前產(chǎn)業(yè)對(duì)硫化物等固態(tài)電解質(zhì)的高度關(guān)注，是否形成了一種路徑依賴？
當(dāng)“全固態(tài)”被預(yù)設(shè)為唯一的“終局”時(shí)，是否可能低估了那些通過先進(jìn)液態(tài)電解質(zhì)、固液混合體系、甚至“無負(fù)極”設(shè)計(jì)來馴服鋰金屬的技術(shù)路徑的潛力？
畢竟，實(shí)驗(yàn)室中高安全、高性能的非固態(tài)電解液方案層出不窮，而超薄鋰金屬負(fù)極的規(guī)模化制造難題，也正通過多種工藝創(chuàng)新（包括繞開超薄鋰箔的“無負(fù)極”思路）尋求突破。
回顧鋰電池的發(fā)展歷程，更能體會(huì)到技術(shù)路徑的非線性特征。鋰金屬電池的概念遠(yuǎn)非近幾年的新潮事物，恰恰相反，它位于鋰電池技術(shù)的原點(diǎn)——?dú)v史上第一個(gè)可充電鋰電池的原型，正是以金屬鋰作為負(fù)極材料構(gòu)建的。
早在上世紀(jì)70年代，圍繞鋰金屬負(fù)極的科學(xué)研究就已經(jīng)展開。然而，難以抑制的鋰枝晶生長帶來嚴(yán)重的安全隱患，金屬鋰與電解液之間劇烈的、不可逆的副反應(yīng)大大縮短了電池的循環(huán)壽命，以上在彼時(shí)看來難以逾越的技術(shù)鴻溝，使得鋰金屬電池在隨后的幾十年里，很大程度上被“雪藏”于實(shí)驗(yàn)室，而安全性相對(duì)更高、循環(huán)性能更好的石墨負(fù)極鋰離子電池則走向了大規(guī)模商業(yè)化。
如今鋰金屬電池迎來“文藝復(fù)興”，并非簡單的歷史重復(fù)，而是建立在材料科學(xué)、電化學(xué)理論、精密制造工藝長足進(jìn)步的基礎(chǔ)之上。
當(dāng)年束縛其發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸——安全性與循環(huán)壽命，正被新一代的電解質(zhì)工程（無論是高濃度/局部高濃度電解液、固液混合體系還是固態(tài)電解質(zhì)）、界面調(diào)控技術(shù)（如人工SEI膜、原位保護(hù)層）以及負(fù)極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如三維骨架、無負(fù)極理念）等手段逐步攻克。
從這個(gè)角度看，當(dāng)前對(duì)鋰金屬電池的再次開發(fā)，也可以看做一次基于“第一性原理”（追求最高理論能量密度）的價(jià)值回歸，是技術(shù)螺旋式上升的體現(xiàn)，而非簡單的線性迭代。 通往>500Wh/kg的“羅馬”，可能確實(shí)條條大路。
關(guān)鍵在于，哪條路能在滿足特定場景（如航空、汽車、消費(fèi)電子）需求的前提下，更快、更安全、更經(jīng)濟(jì)地抵達(dá)。產(chǎn)業(yè)的未來，或許并不在于尋找唯一的“共識(shí)”，而在于擁抱多元探索帶來的更多可能性，并保持戰(zhàn)略上的靈活性與前瞻性。
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