研究背景
固態(tài)鋰金屬電池（LMBs）是下一代高性能電池的代表，因其在體積能量密度和比能量密度上具有較鋰離子電池（LIBs）顯著優(yōu)勢，尤其適用于電動汽車（EVs）等高能量需求領域。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，固態(tài)鋰金屬電池采用鋰金屬作為負極材料，具備更高的能量密度，能夠?qū)崿F(xiàn)1,000Wh l?1和500Wh kg?1的能量密度，且具有更優(yōu)的重量和體積比。雖然固態(tài)電池相比液態(tài)電池能夠有效抑制鋰枝晶生長，避免短路等安全問題，但鋰金屬的非均勻沉積仍是固態(tài)鋰電池在充電過程中面臨的一大挑戰(zhàn)，導致活性鋰的損失和庫侖效率下降。此外，盡管零鋰過量配置在理論上較為理想，實際生產(chǎn)中仍需額外的鋰來補償損失，這對能量密度提出了更高要求，制約了固態(tài)電池的大規(guī)模應用。為了解決這一問題，牛津大學Mauro Pasta團隊在“Nature Energy”期刊上發(fā)表了題為“Techno-economic assessment of thin lithium metal anodes for solid-state batteries”的最新論文。他們通過設計和制備了一種新型的薄鋰金屬膜，顯著改善了鋰金屬沉積的均勻性，減少了鋰枝晶的形成，提高了電池的循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖效率。研究表明，利用熱蒸發(fā)技術(shù)制備的致密鋰金屬箔可以有效解決鋰金屬負極的厚度限制問題，為電動汽車等領域的高能量密度固態(tài)電池提供了可靠的技術(shù)路徑。該團隊的工作不僅通過實驗驗證了鋰金屬膜的高效性，還結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟評估，展示了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的可行性，預計可以大幅降低生產(chǎn)成本，使固態(tài)鋰金屬電池能夠與傳統(tǒng)鋰離子電池競爭。通過該技術(shù)，固態(tài)電池的能量密度達到了目標值，為固態(tài)電池的商用化奠定了基礎。
研究亮點
（1）實驗首次探討了固態(tài)鋰金屬電池（LMBs）在提高能量密度方面的潛力，提出了通過優(yōu)化鋰負極厚度來實現(xiàn)1000 Wh l?1的目標。通過理論分析，確定了鋰金屬負極的最大厚度，從而確保電池能夠達到所需的高體積能量密度。（2）實驗通過分析不同的鋰生產(chǎn)技術(shù)，提出熱蒸發(fā)法作為解決鋰薄膜制備問題的潛在成本效益方法。該方法能夠滿足大規(guī)模生產(chǎn)鋰金屬箔片的需求，解決了目前鋰金屬電池生產(chǎn)中的挑戰(zhàn)。實驗還進行了技術(shù)經(jīng)濟評估，估算了熱蒸發(fā)鋰箔的生產(chǎn)成本，并討論了這一方法的經(jīng)濟可行性。（3）實驗通過計算鋰負極厚度與電池能量密度之間的關系，發(fā)現(xiàn)過量鋰的使用雖然能解決庫侖效率問題，但會影響電池的能量密度，提出了限制鋰負極厚度的關鍵性作用。這一發(fā)現(xiàn)為未來固態(tài)鋰金屬電池的設計和優(yōu)化提供了重要指導。（4）實驗分析了鋰金屬供應與市場需求之間的矛盾，指出鋰金屬行業(yè)尚未準備好滿足固態(tài)鋰金屬電池大規(guī)模生產(chǎn)的需求。實驗最后討論了為實現(xiàn)鋰金屬電池的工業(yè)化生產(chǎn)，需要解決的關鍵科學和技術(shù)問題，包括鋰金屬生產(chǎn)工藝、成本控制和大規(guī)模應用的挑戰(zhàn)。
圖文解讀
圖1:固態(tài)電池中，鋰金屬陽極厚度的分析。圖2:鋰金屬陽極的商業(yè)上最可行生產(chǎn)方法示意圖。
圖3:制造（1.2m）和潛在（3.0m）卷對卷roll-to-roll R2R薄膜沉積基底寬度比較。圖4:不同生產(chǎn)成本，對生產(chǎn)成本和成本比例的影響。圖5:純化鋰和電價，對17μm鋰金屬陽極生產(chǎn)成本的綜合影響。圖6:熱蒸發(fā)鋰金屬陽極生產(chǎn)成本的全球技術(shù)經(jīng)濟分析。圖7:液態(tài)和固態(tài)電池的原材料和組裝組件成本。
結(jié)論展望
本文的研究提供了對固態(tài)電池技術(shù)在鋰金屬負極制造中的應用和成本效益的深入分析。首先，計算結(jié)果表明，固態(tài)電池要實現(xiàn)1,000Wh l?1的能量密度，并在1,250次循環(huán)后保持75%的容量，需控制鋰過量在17μm以內(nèi)，并保持高于99.929%的庫侖效率。這一發(fā)現(xiàn)強調(diào)了在高效能量儲存系統(tǒng)中，如何平衡鋰金屬負極的厚度與長期循環(huán)性能之間的關系。其次，熱蒸發(fā)技術(shù)被證明是制造均勻17μm鋰金屬薄膜的最有前景方法，相較于其他昂貴且低效的技術(shù)，其具備較高的經(jīng)濟性。盡管固態(tài)電池的成本較液態(tài)電池有所上升，但其在快速充電、高能量密度和安全性方面的優(yōu)勢使其成為未來高性能電池的有力競爭者。這為固態(tài)電池技術(shù)的工業(yè)化應用提供了新的方向，尤其是在降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率方面的潛力。因此，探索熱蒸發(fā)技術(shù)和優(yōu)化鋰金屬負極的制造工藝，將為未來固態(tài)電池的廣泛應用奠定基礎。 Burton, M., Narayanan, S., Jagger, B. et al. Techno-economic assessment of thin lithium metal anodes for solid-state batteries. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01676-7
