锂金属电池：高比能动力电池的“终极方案”？

新能源汽车的竞争压力，正传导至动力电池产业。

2024年，在原材料价格波动和行业产能结构性过剩的大背景下，动力电池产业进入变革期。从一两年前的“少电、缺电、贵电”到如今的“内卷”，行业的淘汰赛提前到来。

技术创新和降本增效，成为企业破“卷”的两大核心路径。

降本增效不难理解。通过降低采购成本、精益生产等方式，动力电池企业多措并举降低成本，提升性价比，意图在激烈竞争中站稳脚跟。

更为重要的是，当下，动力电池的玩家们已经意识到下游市场对产品创新及差异化的需求。通过技术创新，抢先布局前瞻技术，成为决胜未来的关键所在。

其中，现有电池体系的材料创新是重点突破的方向之一。特别是在高比能技术路线上，从高电压的中镍、高镍，到超高镍正极，再到硅基负极、锂金属负极，新兴高能量密度正负极领域多技术解决方案竞争发展，为动力电池提供了性能飞跃的想象空间。

安徽盟维新能源科技有限公司联合创始人、CEO 周莉莎

“就电芯体系设计而言，正负极技术路线决定了电池能量密度的上限，锂金属电池是高比能动力电池的终极解决方案。”在近日落幕的中国电动汽车百人会论坛（2024）上，安徽盟维新能源科技有限公司联合创始人、CEO周莉莎如是说。

目前，盟维科技产品级安全高比能锂金属电池已在特定场景中得到用户验证，随着技术迭代升级，循环寿命不断提升，量产制造工艺日趋成熟，锂金属电池在新能源汽车中的应用将逐渐进入产业视野。

围绕锂金属电池的发展现状，本文试图回答以下三个方面的问题。

1、什么是锂金属电池？

2、锂金属电池为何被称为高比能电池技术路线的“终极解决方案”？

3、锂金属电池商业化，还需解决哪些关键问题？

动力电池的“荆棘圣杯”

全球电动化能源革命的到来，对动力电池提出了越来越高的要求。

从海面上的游轮交通，到地面上的新能源汽车，再到低空无人机、通航载人机、平流层无人机等，电动化大行其道的背后，离不开动力电池技术的突飞猛进。反过来，应用需求的精细分化，也推动动力电池不断拓宽技术边界。

尽管应用场景不尽相同，但从各国的动力电池规划路线看，高能量密度是动力电池的长期发展方向，各国普遍计划在2030年前后实现单体电芯500Wh/kg。

实现这个目标，绝非易事。

当下，新能源汽车行业商业化的动力电池主要是三元锂及磷酸铁锂两大技术路线，并沿各自的技术路线升级迭代，进行成本与性能的综合竞争。但无论是三元锂还是磷酸铁锂，已实现的能量密度已经接近该技术路线的“天花板”,进一步提升的空间有限。

因此，要想完成能量密度从300Wh/kg向400Wh/kg、500Wh/kg跨越式提升，还需要研发新一代电池技术。

当前，电池技术创新大体围绕两方面：一个是在当前锂离子电池基础上进行“材料创新”，如正极材料、负极材料、隔膜、电解液等四大材料创新等；另一个是“体系创新”，如固态电池等。

电池结构及系统设计的优化决定了材料能量密度能否得到充分释放，而电极活性材料的迭代，才是决定能量密度的天花板。有分析认为，面向未来，要实现电池能量密度向400Wh/kg、500Wh/kg的突破，从结构创新发展到材料创新是必然趋势。

锂金属电池，则被视为下一代电池体系的“潜力股”。

安徽盟维新能源科技有限公司联合创始人、CEO周莉莎正在演讲

所谓锂金属电池，指的是一种使用金属锂作为负极材料的电池。早在20世纪70年代，锂金属作为锂电池负极的科学研究已经开始。但在很长一段时间内，由于其在安全性、锂和电解质的副反应等方面的技术难点，锂金属电池一直沉寂在实验室中。

直到近年来，随着石墨负极材料和硅碳/硅氧负极材料锂离子电池的能量密度发展逐渐接近极限，锂金属再次成为电池动力产业的重要发展方向。

在备受科学界追捧背后，是锂金属电池具有的独特魔力。

材料本征性上，金属锂具有最高的满电状态理论比容量（3860mAh/g），以及最低的电化学电位(-3.04V vs. SHE)，这些理想的负极性质都有利于电池实现更高的能量密度。

技术终局性上，锂金属先天含有锂离子，未来还可搭配硫、空气等不含锂离子的高比容量正极材料。

因此，金属锂被认为是高能可充电电池中替代石墨负极的终极负极材料，锂金属电池也被称为是动力电池领域的“荆棘圣杯”。

2021年，《麻省理工科技评论》（MITTechnologyReview）就曾将锂金属电池列为当年十大突破性技术（10BreakthroughTechnologies），与mRNA疫苗、生成式预训练模型、数据信托等技术并列。

锂金属电池前景光明，面临的挑战也有不少，锂枝晶生成导致安全隐患、不稳定的SEI（SolidElectrolyteInterface，固体电解质界面）影响循环寿命等问题仍待逐步攻克。但从某种程度上来说，作为最具突破性的技术之一，对锂金属电池的研究必须未雨绸缪，防止技术颠覆的风险。

从无人飞行器、eVTOL到电动汽车

曾有研究报告指出，90%的科研成果还没走向市场，就被埋没在从基础研究到商品化的过程中。创新成果从实验室样品变为商品的过程，常被人们称为“死亡之谷”。

动力电池技术的发展是一个循序渐进、“沿途下蛋”的过程，谁能更好的在技术、规模、市场、成本之间找到平衡，谁便更有可能把创新成果带出实验室。

锂金属电池的商业化，同样要穿越这条“死亡之谷”。在周莉莎看来，满足应用场景需要的综合性能指标是锂金属电池商业化的核心，而应用安全、循环寿命、可制造性是其中关键。

对于动力电池，应用安全是永恒的话题。且动力电池能量密度越高，相应安全技术的要求一般也越强。同时电池安全保障包括有科学研究、本质安全、主动安全、被动安全、标准法规等多个维度。

在材料层面，高比能锂金属电池应用安全所面临的挑战主要在于锂枝晶刺穿隔膜导致的短路风险。

据周莉莎介绍，盟维自主研发了新型阻燃电解液技术，有效抑制了锂枝晶的生长。值得一提的是，在严苛的针刺模拟短路的过程中，锂金属电池依然可以保持稳定的安全性。

如果说应用安全是锂金属电池商业化的“入场券”，循环寿命就是影响其应用经济性的关键指标。由于金属锂是一种非常活泼的金属，锂金属电池在电池循环的过程中容易被电解液腐蚀，导致电池快速容量衰减，不利于电池的长循环。

为此，盟维在锂负极保护层构筑技术上取得突破，实现了锂金属均匀沉积及SEI层的动态修补。通过一系列技术创新，盟维大幅提高锂金属电池的循环寿命，实现了100%DOD深度充放电循环寿命>500圈。

在可制造性上，锂金属电池面临负极高反应活性、柔软易黏结、电池工艺未成熟等痛点。盟维自研锂金属软包电池生产工艺，首创了锂金属电池自动化制造产线，实现了锂金属电池的规模化生产。

与会专家现场聆听周莉莎演讲

“任何一项新兴技术从发展到商业化落地，必将会经历一个从技术驱动到市场驱动再到规模驱动的过程。”周莉莎认为，由于其高能特性，锂金属电池优先在无人机、eVTOL这样一些低空场景得到应用。随着在应用市场实际场景中的验证实现，锂金属电池技术会越来越成熟，并通过电动汽车应用场景走入更多人的视野。

事实上，盟维的一系列实践，正为锂金属电池的商业化落地探索一条具有借鉴价值的路径。

自2018年成立以来，盟维以电动航空实际应用需求为起点，研发了以金属锂为负极的高能量密度电池，成为全球首个突破锂金属电池技术瓶颈、全球最早完成批量交付500Wh/kg高能量密度、高安全性新体系动力电池的企业。

目前，盟维产品级安全高比能锂金属电池METARY系列已经在多种无人飞行器的应用场景得到客户验证。同时，盟维针对新能源汽车所开发的METAXELL系列大容量锂电池原型样品，经过500次深度充放电循环，容量保持率仍高于80%以上。

“基于材料研究及工程技术层面的不断创新，预期到2025年，锂金属电池动力电池产品循环寿命可达1000次，具备大规模应用于新能源汽车市场的基础条件。”周莉莎说。

尾声

毫无疑问的是，上游原材料供应不稳定导致剧烈的价格波动、中游新电池化学体系技术持续进步，叠加下游应用场景精细分化等因素，正驱动动力电池技术的持续变革。以锂金属电池为代表的下一代动力电池，已经驶入商业化新阶段。

诚然，要实现从原型开发、量产试制再到量产装车，锂金属电池还需在兼顾高安全、高能量密度的同时大幅度提升循环寿命，满足经济性、环境适应性等核心指标。但对于亟待实现“续航自由”的新能源汽车来说，锂金属电池是不能错过的一大方向。