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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)計進行調(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。
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，來達到不易燃、同時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。但這種方法對實際的材料制備和電極焊接工藝提出了較高要求。
比亞迪的一項專利則展示了該策略的一種演變：對負(fù)極集流體進行多孔化設(shè)計，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)計負(fù)極保護層。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等無機層，提升鋰金屬的穩(wěn)定性。
但有研究指出，這類無機保護層在長期循環(huán)中可能被破壞。通過電解質(zhì)工程原位形成的無機層在高面積容量下也難以完全抑制巨大的體積變化。對于追求500 Wh/kg以上的高比能鋰金屬電池，如何在實際條件下設(shè)計出穩(wěn)定且適應(yīng)高面積容量的人工保護層仍是重大挑戰(zhàn)。
寧德時代的相關(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)模化制備。
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，進一步減薄極易因粘附問題導(dǎo)致鋰帶斷裂。
同時，鋰金屬的低機械強度使得其在放卷、收卷過程中對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，且張力波動大，難以實現(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，鋰層厚度則能達到3微米級別。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。采用此類先進負(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)對思路是二次減薄。即先采購毫米級的鋰帶，然后將其夾在上下兩層涂覆硅油的PET保護膜之間（形成“三明治”結(jié)構(gòu)），通過精密輥壓達到目標(biāo)厚度（如微米級），最后再將PET保護膜剝離。恩力動力等公司正聚焦于此方向，值得注意的是，該公司同時也在攻關(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壓至5-10微米的超薄水平，限制了電池能量密度的進一步提升。
對此，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)科宣布推出針對鋰金屬的氣相沉積設(shè)備，被視為一個標(biāo)志性進展。通過在真空環(huán)境中進行氣相沉積，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，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；放電時再從集流體上脫離。
當(dāng)然，“無負(fù)極”設(shè)計的落地也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：鋰在沉積-剝離過程中會導(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也宣布其用于消費電子的無負(fù)極電池實現(xiàn)了超過1000次循環(huán)，并已在半自動化產(chǎn)線上生產(chǎn)。這些進展表明，“無負(fù)極”并非遙不可及的概念，其潛力正逐步被驗證。
鋰金屬vs固態(tài)電池：殊途同歸還是分道揚鑣？
審視當(dāng)下鋰電池的技術(shù)演進，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，直接進行材料創(chuàng)新，再探索包括先進液態(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”，有明確的路線圖和階段性目標(biāo)。后者則更像多點開花，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。
因為無論起點如何，終點都指向同一個目標(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（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，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。
這就引出了一個關(guān)鍵問題：當(dāng)前產(chǎn)業(yè)對硫化物等固態(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，是否可能低估了那些通過先進液態(tài)電解質(zhì)、固液混合體系、甚至“無負(fù)極”設(shè)計來馴服鋰金屬的技術(shù)路徑的潛力？
畢竟，實驗室中高安全、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)?；圃祀y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——歷史上第一個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”于實驗室，而安全性相對更高、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、原位保護層）以及負(fù)極結(jié)構(gòu)設(shè)計（如三維骨架、無負(fù)極理念）等手段逐步攻克。
從這個角度看，當(dāng)前對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、消費電子）需求的前提下，更快、更安全、更經(jīng)濟地抵達。產(chǎn)業(yè)的未來，或許并不在于尋找唯一的“共識”，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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