鋰金屬電池采用鋰金屬負極代替傳統的石墨或硅基負極，鋰金屬負極具有傳統石墨負極10倍的比容量，通過與高容量正極體系搭配，使用固態電解質，可實現超出目前鋰電池40%的比能量，達到500Wh/kg以上，可支持新能源汽車創新應用。但鋰金屬電池存仍存在關鍵科學問題和產業化問題尚未解決，制約了其進一步發展。2024年4月26日，中國汽車工程學會主辦，電動汽車產業技術創新戰略聯盟、安徽盟維新能源科技有限公司承辦的“鋰金屬電池賦能空地交通全面電動化技術研討會”順利舉辦，結合與會嘉賓報告、參會嘉賓觀點、行業資料等，形成《鋰金屬電池賦能空地交通全面電動化關鍵技術研究報告》，概要內容如下。

 

一科學問題及產業化問題核心觀點

（1）復合金屬鋰負極及鋰金屬電池科研進展及科學問題

1. 金屬鋰負極在沉積過程中會產生“枝晶”，在溶出過程中會產生“死鋰”。“枝晶”和“死鋰”對循環壽命和安全性會造成不利影響，該如何減少這兩種現象？

2. SEI層對金屬鋰負極性能發揮十分關鍵，然而在循環過程中，金屬鋰的不均勻沉積會導致SEI破裂和重構，加速電解液消耗并增加副反應，如何抑制這一現象？

3. 金屬鋰負極與固態電解質界面接觸可能面臨接觸面積過小引起阻抗過大問題，如何預防和解決？

4. 與高鎳三元/富鋰錳基正極、金屬鋰負極匹配的固態電解質最合適的技術路線？鋰硫、鋰空電池用金屬鋰負極有何特殊需求？

 

（2）鋰金屬電池工程實踐進展及產業化應用問題

1. 全固態鋰金屬電池在使用中因體積效應問題，循環壽命通常衰減較快，如何解決這一工程難題？

2. 金屬鋰負極容易產生鋰枝晶，有短路引發熱失控的風險，如何通過電芯設計和系統集成進行抑制和預防？

 

3. 鋰金屬電池產業化的核心難點是什么？預計量產時間和大規模應用的時間節點？預計的應用領域？應用車型的最適合場景？

4. 鋰金屬電池和硅基負極制備的混合固液/全固態電池有何明顯差異？成本相比如何？鋰金屬電池遠期成本、市場滲透拐點、未來市場份額的預測？

 

 

二 整體研究架構

 

 

三 研究內容部分結論

本包括包括五章：空地全面電動化發展背景、金屬鋰負極面臨挑戰及解決思路、應用于固態電池本征安全提升策略、鋰金屬電池制造工藝及裝備探索、鋰金屬電池技術趨勢及應用場景。下面從每一章節選取典型內容進行簡介。

（1）空地全面電動化發展背景

1. 低空經濟地位進一步提升至“國家戰略性新興產業”，產業培育信號明確

2021年2月中共中央、國務院印發《國家綜合立體交通網規劃綱要》，首次提出發展低空經濟；2023年12月的中央經濟工作會議上，明確將“低空經濟”列為國家戰略性新興產業。

多省份積極跟進國家政策，推動低空經濟發展，低空經濟成為2024年地方兩會熱議的關鍵詞。在地方層面，廣州、深圳、合肥、成都等地均在大力發展低空經濟，其中四川、海南、湖南、江西、安徽等5個省份為全國首批低空空域管理改革試點省份。

 

2. 半固態電池實現量產，即將規?；瘧茫蝗虘B電池26年后逐漸應用

作為液態電解質到固態電解質的過渡技術，半固態電池成為國內電池企業產品布局的重要一環，目前部分企業半固態電池已在相關車型上得到裝車驗證，并于2023年實現小批量生產，如贛鋒鋰業、衛藍新能源、清陶能源等；近兩年，東風風神E70、嵐圖追風、蔚來ES6/ET7等車型已相繼搭載半固態電池，隨著多家車企裝車，半固態電池即將實現規模化應用。

全固態電池已有多個樣品發布，預計2026年后逐漸迎來小規模試制，2028年后迎來規?；瘧?。

（2）金屬鋰負極面臨挑戰及解決思路

1. 金屬鋰負極還原性強、體積膨脹大，帶來一系列挑戰

金屬鋰負極關鍵挑戰包括：1.沉積時體積膨脹破壞脆弱的SEI；2.Li枝晶通過裂縫生長；3.剝離時體積收縮進一步破壞SEI，電接觸失效產生死鋰；4.連續循環較厚的SEI層和過量的死鋰，導致離子傳輸受阻和容量衰退。

金屬鋰負極易生長鋰枝晶、還原性強、體積膨脹大的特性，帶來一些列問題：如持續SEI膜的生成，會消耗大量電解液；易生成鋰枝晶，刺穿隔膜，造成內短路。

2. 構筑三維金屬鋰復合負極可實現快速導鋰和親鋰沉積

基于鋰定向可逆沉積原理，設計復合鋰負極，構筑高穩定性界面、輕質三維骨架結構，實現三維快速導鋰、親鋰沉積。

通過研究骨架/金屬鋰界面下鋰碳復合負極的連續轉化&脫嵌機制和電解質/金屬鋰界面下高含鋰合金負極抑制晶間反應，提高金屬鋰負極的綜合性能。

（3）應用于固態電池本征安全提升策略

1. 液態電池安全性主要是正極釋氧和電解液反應，提出潛在解決方案

普通電解液的NMC333電池250℃前的副反應主要是負極/電解液的反應（LFP類似）；250oC正負極串擾（Ca+An crosstalk）是熱失控熱來源的主要（LFP不存在）。

傳統電解液高鎳三元NMC811電池，由于正極釋氧與EC反應，正極與電解液反應首先起主導作用；正負極串擾是較大問題。

2. 原位固態技術可抑制負極界面放熱副反應，是有效提高電池安全性手段

目前提高固態電池安全性的方案包括：LATP正極添加劑、LATP涂覆隔膜、原位固化等。

比較不同方案優劣勢，發現動力電池的性能要綜合成本、倍率性能、安全性，目前來看原位固態是較好的解決手段，可抑制負極界面放熱副反應，并減緩正負極材料間的熱失控劇烈反應。

（4）鋰金屬電池制造工藝及裝備探索

1. 鋰金屬電池全生命周期都要保持足夠界面接觸性，需要加壓設計和制造

鋰金屬電池設計和制造的一大挑戰是接觸界面應力不穩定、易變形，導致接觸阻抗過大，因此界面保持是設計及制造必須考慮的因素。

解決全固態電池充放電材料膨脹帶來的退化問題：從材料選擇設計、電池結構設計、電池制造、使用過程加壓保護。

2. 按固態電解質類型，可分為半固態、凝聚態和全固態，工藝路線不同

根據固態電解質類型不同，鋰金屬電池可分為半固態、凝聚態和全固態。

其工藝路線略有差異，主要集中在電解質膜的制備過程和固態電解質的涂布時間。

（5）鋰金屬電池技術趨勢及應用場景

1. 金屬鋰具有超高比能量，是負極材料的遠期發展目標

采用金屬鋰作為負極是提高電池能量密度的重要途徑，希望能夠控制鋰表界面的電化學反應，利用鋰的沉積和脫出進行儲能。

金屬鋰理論比容量達到3860mAh/g，同時具有低電極電勢（−3.04 V vs 標準氫電極），是電池下一代負極材料的潛在目標。

2. 鋰金屬電池市場前景廣闊，多個應用場景均能發揮優勢

鋰金屬電池預計小批量試制在2026年，規模量產時間在2030年左右，目前已有企業在無人機完成了技術導入，近期正在向平流層航空器和eVTOL進行拓展。預計應用場景是追求高比能的領域，如航空器、無人機、飛行汽車、高端新能源汽車等。

預測鋰金屬電池未來適用于成本相對不敏感的場景，遠期成本是實現0.6元/Wh，規模量產起步期預測為2030年，市場份額為0.5%。

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中國汽車工程學會電動化研究中心 孫旭東 18501473450（微信同號）

另外，電動化研究中心和聯盟針對熱點技術話題持續開展小而精的閉門研討會，剖析痛點和短板，洞察發展趨勢。通過專家研判和案頭研究，形成研究報告。以下為2024年已經召開的三場研討會，歡迎感興趣的企業聯系策劃和承辦。