除了億緯鋰能外，寧德時(shí)代也在布局鋰金屬電池。4月15日，據(jù)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公告，寧德時(shí)代取得一項(xiàng)名為“三維復(fù)合金屬鋰負(fù)極和金屬鋰電池與裝置”的專(zhuān)利。專(zhuān)利摘要顯示，所述復(fù)合金屬鋰負(fù)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(diǎn)和含聚合物的部分。
“鋰金屬負(fù)極電池被認(rèn)為是電池的圣杯，因?yàn)樗鼈兊娜萘渴巧逃檬?fù)極的10倍，可以大大增加電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離。”今年年初，美國(guó)哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)研究人員在學(xué)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(shí)代和億緯鋰能外，包括天齊鋰業(yè)、SES、太藍(lán)新能源、安徽盟維、欣旺達(dá)、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(guó)內(nèi)外車(chē)企也都在積極布局鋰金屬電池。
01
技術(shù)取得大突破
“面向未來(lái)實(shí)現(xiàn)400Wh/kg、500Wh/kg的突破，整個(gè)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(fù)極方向勢(shì)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(shuō)是高比能電池技術(shù)路線(xiàn)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(chēng)，它和鋰離子電池最大的區(qū)別在于負(fù)極材料。鋰離子電池負(fù)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(fù)極材料，理論容量高達(dá)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(dá)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(shí)，實(shí)現(xiàn)很高的能量密度。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)而言，可以因此大幅提高續(xù)航里程?！泵绹?guó)混合鋰金屬電池廠商SES創(chuàng)始人兼CEO胡啟朝表示。不過(guò)同時(shí)，由于金屬鋰負(fù)極的活性極強(qiáng)，因此給鋰金屬電池的安全性帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。
事實(shí)上，長(zhǎng)期以來(lái)“負(fù)極表面枝晶”是鋰金屬電池商業(yè)化面臨的一個(gè)巨大障礙。業(yè)內(nèi)人士指出，枝晶的形成發(fā)生在充電過(guò)程中，鋰離子從正極移動(dòng)到負(fù)極，并通過(guò)一種稱(chēng)為電鍍的過(guò)程附著在負(fù)極表面。這種電鍍過(guò)程會(huì)導(dǎo)致負(fù)極表面不均勻，為枝晶的形成創(chuàng)造條件。這些枝晶會(huì)向電解質(zhì)生長(zhǎng)，刺穿隔膜，導(dǎo)致電池短路甚至起火。
電池中國(guó)注意到，寧德時(shí)代似乎在解決“鋰金屬電池枝晶”方面取得了突破。“本申請(qǐng)改善了金屬鋰負(fù)極在充放電過(guò)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(fù)極的比表面積，引入了親鋰的納米位點(diǎn)，從而能夠引導(dǎo)金屬鋰均勻沉積，可有效抑制鋰枝晶生長(zhǎng);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(fēng)險(xiǎn)。”寧德時(shí)代在專(zhuān)利申請(qǐng)中描述。
“經(jīng)過(guò)近10年的攻關(guān)研究，我們認(rèn)為采用鋰金屬為負(fù)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(shí)代中國(guó)區(qū)乘用車(chē)解決方案部總裁項(xiàng)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(shí)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(shí)代。SEAS發(fā)表的論文則顯示，該鋰金屬電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)在負(fù)極中使用微米級(jí)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(jìn)鋰金屬的均勻電鍍形成厚層。該研究團(tuán)隊(duì)表示，“由于電鍍和剝離過(guò)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?！?/strong>
02
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(guó)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(chē)產(chǎn)業(yè)鏈重量級(jí)企業(yè)的投資。
SES確實(shí)實(shí)力不凡。去年12月，SES宣布已與一家車(chē)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(jìn)入B樣品測(cè)試階段。據(jù)了解，SES曾在2021年發(fā)布世界上首個(gè)車(chē)規(guī)級(jí)鋰金屬A樣品，能量密度可達(dá)417Wh/kg。
根據(jù)規(guī)劃，SES預(yù)計(jì)在2024年啟動(dòng)1GWh的鋰金屬電池量產(chǎn)試點(diǎn)設(shè)施，2025年啟動(dòng)首個(gè)10GWh的電池工廠，該電池工廠產(chǎn)能預(yù)計(jì)在2027年將增加至30GWh。
電池中國(guó)注意到，寧德時(shí)代“老對(duì)手”LG新能源則計(jì)劃2028年開(kāi)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(dá)到約1000Wh/L?！盀榱颂岣吣途眯院脱h(huán)壽命，我們一直在通過(guò)開(kāi)發(fā)穩(wěn)定的電解質(zhì)、保護(hù)層和先進(jìn)的材料來(lái)提高鋰金屬負(fù)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(dòng)車(chē)和機(jī)器人，它們需要在有限的體積內(nèi)獲得更高的能量?！盠G新能源表示。
近期，中國(guó)企業(yè)方面又傳來(lái)好消息。太藍(lán)新能源對(duì)外宣布，公司成功研發(fā)出車(chē)規(guī)級(jí)單體容量120Ah、實(shí)測(cè)能量密度高達(dá)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(rèn)為，太藍(lán)新能源有望在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰金屬電池的量產(chǎn)裝車(chē)，為電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)顛覆性改變。
除了應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)上，鋰金屬電池在電動(dòng)航空?qǐng)鼍爸械膽?yīng)用也在加速推進(jìn)。據(jù)了解，盟維科技開(kāi)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(dòng)航空?qǐng)鼍暗玫綉?yīng)用。其中，單體級(jí)鋰金屬電芯能量密度高達(dá)500Wh/kg以上，系統(tǒng)級(jí)鋰金屬電池能量密度超過(guò)400Wh/kg。
