[电池完全征服]⑮ “负极材料天花板”锂金属距离商业化不远

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去年12月7日，LG能源解决方案与韩国科学技术院（KAIST）Kim Heetak 教授联合研究团队公开了其在一次充电可行驶900公里、可重复充电400次以上的锂金属电池（锂金属二次电池）研究成果。这一性能比目前锂离子电池的续航里程（约600公里）高出50%。几天后的12月13日，总部位于美国波士顿的 SES AI 宣布，已开始向客户供应锂金属电池B样品。

锂金属电池与全固态电池、锂硫电池一道，被视为下一代电池而备受关注，但其在起火风险、寿命短等方面仍存在不少亟待攻克的难题。不过，随着近期一系列研究成果陆续取得进展并对外发布，有评价认为其商业化已进入可见范围。

锂金属电池是对在负极使用金属锂的电池的统称。自1991年索尼首次将锂离子电池实现商业化以来，二次电池技术主要围绕正极材料发展。延续数十年的正极材料研究逐渐触及天花板后，如今二次电池研究者的关注点已转向负极材料。

此前介绍过的硅基负极材料也是其中之一。由于存在膨胀（swelling，体积鼓胀）现象，硅基负极目前仅以与现有石墨混合约5%的方式实现商业化。如何克服膨胀现象，是硅基负极材料面临的课题。（参见《电池完全征服》第11期）

与硅基负极相比，锂金属被视为更受瞩目的未来二次电池技术。在研究者之间，它被称为负极材料中的“最终王者”“圣杯（Holy Grail）”。

用于锂离子电池的石墨，其理论容量为372毫安时每克（mAh/g），而金属锂的理论容量则高达3860mAh/g，超过10倍。锂相对于标准氢电极（SHE）的电位为-3.040V，且密度仅为0.534g/㎤，因此一直被视为极具潜力的未来负极材料。

锂金属负极材料是通过在铜箔上覆镀数十纳米厚度的锂金属箔制成的。金属锂本身重量轻，且厚度远薄于石墨，因此与现有石墨或硅基负极相比，能够大幅缩小电池的尺寸和体积。由于可以提升能量密度，在保持电池尺寸不变的前提下，能够制造出续航更长的电动汽车。因为重量轻，人们也期待能在无人机（无人航空器）上搭载锂金属电池。

锂离子电池负极材料的发展过程。图片来源 MIT News

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锂金属不仅被作为目前已商业化的锂离子电池的替代负极材料，而且也被作为全固态、锂硫等下一代二次电池的负极材料进行积极研究。以锂硫电池为例，其正极材料为硫，负极使用金属锂。如果在保持现有锂离子电池正极材料不变的情况下，将负极更换为锂金属并使用固体电解质，就可以构成全固态电池。当然，要达到商业化水平又是另一回事。

锂金属电池要实现突破，必须解决的最大障碍是枝晶（Dendrite）。所谓枝晶，是指在充电过程中迁移到负极的锂离子形成树枝状晶体的现象。

在以石墨作为负极材料时，迁移到负极的锂离子会稳定地嵌入石墨的层状结构中，因此不易产生枝晶。相反，在锂金属电池中，迁移至负极的锂离子会立即与金属锂发生还原反应，极易电沉积在负极表面。当沉积的锂不断生长，刺穿隔膜并与正极接触时，就会发生短路，导致电池爆炸。

枝晶也会影响电池寿命。在锂离子电池的充放电过程中，负极与电解质之间会形成固体电解质界面（SEI，solid electrolyte interface）层。SEI层起到让锂离子稳定迁移的通道作用，同时阻隔电解液与锂的直接接触，防止电解液对锂的腐蚀。然而，当锂不能均匀沉积而集中在某一处时，就会损伤SEI层，导致充放电效率下降。随着锂持续沉积，锂逐渐耗尽，电池容量也会大幅衰减。

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过去曾多次尝试将锂金属电池商业化，但因未能解决枝晶问题而屡屡失败。诺贝尔化学奖得主 Stanley Whittingham 教授在20世纪70年代曾首次开发出以二硫化钛（TiS2）为正极、以金属锂为负极的电池，但最终未能实现商业化。

在锂离子电池问世之前的1988年，加拿大公司 Moli Energy 与达尔豪斯大学（Dalhousie University）Jeff Dahn 教授合作，将以二硫化钼（MoS2）为正极的锂金属电池推向市场。然而，由于发生火灾，该电池被大规模召回，公司也不得不进入破产保护程序。枝晶被指为起火原因。（参见《电池完全征服》第3期）

搭载锂金属聚合物电池的法国博洛雷电动公交车

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法国巴黎的公共交通运营企业 RATP 于2021年引进了博洛雷集团（Bollore Group）的 Bluebus 电动巴士。该巴士搭载了博洛雷集团子公司 Blue Solutions 开发的锂金属聚合物（LMP）电池。但在2022年，两次发生该巴士起火事故后，RATP 停运了149辆搭载该电池的巴士。由于该电池使用的电解质不是液体，而是聚合物（polymer，高分子）材料，有时也被归类为全固态电池。

为了抑制锂金属枝晶的形成，研究人员正在进行多种尝试，包括对金属锂表面进行涂层处理、优化电解液组分以及引入添加剂等。目前已有一系列具有意义的研究成果陆续公布。

被认为最接近实现锂金属电池商业化的企业是 SES AI。该公司在去年12月13日举行的“电池世界（Battery World）”活动上表示，已与一家主要整车厂签署了锂金属电池B样品量产的联合开发协议（JDA）。SES AI 早在2021年就与美国通用汽车（General Motors，GM）、日本本田、现代汽车等全球车企就A样品签订了联合开发协议，此次则率先与其中一家签订了B样品合同。

SES AI 在其官网解释称：“当B样品完成时，通常认为模块和电池包技术的风险已被完全消除，在供应链和制造工艺方面也不存在任何阻碍风险。”接下来经过C、D样品阶段后，即可搭载于电动汽车。

按照该公司说明，B样品测试需耗时1至2年，C、D样品测试还需1至2年，考虑到这一点，预计最快在2年内就有可能实现商业化。事实上，该公司已提出目标，要在2025年前后实现锂金属电池的商业化。SES AI 还公布计划，拟将锂金属电池应用于城市空中交通（UAM）。

Chi-Chao Hu SES AI 创始人在2021年11月举行的 Battery World 活动上介绍锂金属电池。照片来源 SES AI 提供

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总部位于美国波士顿的 SES AI 由麻省理工学院（MIT）出身的 Qichao Hu 博士于2012年创立。公司创立之初名为 Solid Energy System，之后更名为现在的公司名称。从公司名称即可推测，该公司最初从事全固态电池开发，随后将方向转向锂金属电池，认为锂金属电池的商业化可能性更高。创始人 Qichao Hu 在接受《Fortune Korea》杂志（2023年8月号）采访时曾表示：“全固态电池离真正落地还太远”“混合型锂金属才是最终阶段（End Game）”。

该公司于2016年首次展示了锂金属电池样品，引起全球整车厂的关注，与我国也有着密切关系。SK 分别在2018年和2021年两次投资该公司，持股比例达到12.7%。现代汽车也向该公司投资了1亿美元。SES AI 于2022年2月在纳斯达克上市，并在中国上海和我国忠州建有工厂。忠州工厂被解读为面向国内客户而建设。

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SES AI 在电池材料开发中运用深度学习技术，公司名称中包含“AI”亦源于此。SES AI 通过采用高浓度盐中溶剂（solvent-in-salt）电解质、保护性涂层以及复合金属锂等技术抑制锂的沉积形态。该公司在2021年公开了一款重量0.982千克、容量107安时（Ah）的锂金属电池，其质量能量密度为417Wh/kg，体积能量密度为935Wh/L。

LG能源解决方案与 Kim Heetak KAIST 教授团队联合研发的锂金属二次电池技术，实现了超过400Wh/g的能量密度，具备一次充电可行驶900公里、可重复充电400次以上的性能。联合研究团队表示，为了实现锂金属电池，他们首次在全球范围内采用此前从未报道过的“硼酸盐-吡喃（borate-pyran）”基液态电解质，从而解决了技术难题。

LG能源解决方案与KAIST Kim Heetak教授团队于11月23日发表在《自然·能源》上的论文部分内容。

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硼酸盐-吡喃电解液通过将形成于金属锂负极表面的SEI层重新设计为致密结构，阻断了电解液与锂之间的腐蚀反应。研究团队解释称，该技术能够同时解决枝晶和腐蚀问题，从而提升充放电效率。该研究成果已发表于国际权威学术期刊《Nature Energy》11月23日在线版。

乐天化学在去年11月28日表示，已在韩国国内首次开发出并完成国内专利申请的“隔膜涂层材料制造技术”，用于解决锂金属负极材料的不稳定性，该技术基于高分子固体电解质。该技术的核心在于，将改善锂离子传导性的功能性材料涂覆于锂金属电池的隔膜上，以抑制枝晶现象。公司方面表示，通过该技术，在500次重复充电后仍能保持90%以上的容量。

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乐天化学于2021年向美国开发锂金属负极材料的初创企业 SOELECT 进行股权投资并签署联合开发协议。随后经过约两年多的联合研究，才得以开发并应用相关技术。双方正考虑到2025年前后在美国当地建设规模约2亿美元、千兆瓦时级（GWh）的锂金属负极材料生产设施。

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