「負極都使用金屬鋰。」近日，中國鋰業巨頭，贛鋒鋰業表示，其二代混合固態鋰電池採用金屬鋰作為負極，開發的高比能電池能量密度達到420Wh/kg，循環壽命超過700次。
隨着固態電池的開發和量產，原先限制鋰金屬負極應用的鋰枝晶問題正在被解決，新的技術不僅可以抑制鋰枝晶的生長，固態電解質隔膜更可以防止其刺穿隔膜導致電池短路。
繼硅碳負極之後，鋰金屬負極正在成為固態電池的新寵，也將成為鋰資源應用的最新市場。
01
固態電池「激活」金屬鋰
隨着固態電池技術的深入研發和產業化應用，金屬鋰電極，作為鋰電池的終極負極正在被重新「激活」。
其實，在20世紀70年代，使用鋰金屬直接作為負極材料，就曾經引起科研界的重視。但由於其容易形成枝晶而存在高安全風險，鋰金屬負極的商業化失敗，碳基負極材料佔據主導地位。
從原理上來講，鋰電池的最理想負極其實就是鋰金屬本身。在電池放電時，鋰金屬負極中的鋰原子失去電子，發生氧化反應，變成鋰離子，鋰離子從負極脫出，經過電解液遷移到正極，進而完成整個電池反應。在這個過程中，其實鋰金屬負極具有高理論能量密度的巨大優勢，一直是鋰電池負極的一種終極追求。
然而，有一利必有一弊。由於單純的鋰金屬作為負極，也存在鋰枝晶生長、體積膨脹等問題，隨着電池充放電，鋰元素會沿着鋰金屬表面生長出新的枝杈，被稱為鋰枝晶。在原有液態鋰電池系統中，隨着這些鋰枝晶的生長往往會穿過液體電解質，進而刺穿隔膜，最終導致整個電池的短路，引起電池失效，甚至是電池的自燃、爆炸。
正是為了解決這一問題，人們不得不把鋰元素更多地放在電池的正極材料中，諸如磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等材料目前被廣泛應用。而負極則選擇採用石墨材料，利用它的多孔性，等於給鋰元素搭建一個樓房，不僅能裝下更多鋰原子，還能防止枝晶的生成和體積的膨脹。之後，人們為了能夠增加鋰電池的能量密度，還引入了硅元素，利用硅原子吸附性更強的原理，增加負極鋰原子的數量，因此產生了硅碳負極材料。
但是，現在好了，隨着固態電解質、固態隔膜技術的發展，鋰金屬產生枝晶、刺破隔膜的問題終於有了解決的希望。其原理也很簡單，電解質都已經變成了固體，固態電解質具有較高的機械強度，能夠抑制鋰枝晶的生長和刺穿，減少因鋰枝晶導致的內部短路和安全隱患。同時，固態電解質在鋰金屬負極表面能形成穩定的固態電解質界面（SEI），減少鋰金屬與電解質之間的副反應，提高界面穩定性。
從某種程度上來說，固態電池的發展，使得鋰金屬負極的直接應用成為了可能。
02
頭部企業躬身入局，固態電池加速迭代
據最新消息，目前已有多家頭部企業已經入局鋰金屬負極。
其中，4月21日寧德時代也發佈了「自生成負極技術」，通過精準調控納米級界面組分與結構，使離子傳導速度提升兩個數量級，攻克了鋰金屬負極的循環衰減的瓶頸。該技術使電池存儲性能提升300%，能夠將電池的體積能量密度提升60%以上，重量能量密度提升50%以上。
5月13日，贛鋒鋰業也表示，已經突破了鋰金屬負極的產業化門檻，以金屬鋰負極技術為核心，推動高比能電池量產。其二代混合固態鋰電池採用金屬鋰作為負極，開發的高比能電池能量密度達到420Wh/kg，循環壽命超過700次，並開發出能量密度達到500Wh/kg的樣品，可通過200℃熱箱與針刺等嚴苛的安全測試。
天齊鋰業目前則是通過與北京衛藍新能源合作，研發預鋰化負極材料、金屬鋰負極及鋰基合金負極材料。其預鋰化實驗室建設項目已竣工驗收，並完成兩套負極預鋰化設備工藝開發。此外，孚能科技、欣界能源等企業在固態電池研發中心，也採用了金屬鋰負極的路線。
鋰金屬負極的應用說明中國在固態電池領域在推進固態電解質替換電解液的同時，也已經同步開啟了第二階段的探索。
按照鋰金屬的理論比容量3860 mAh/g計算，它是現在碳負極材料理論比容量372 mAh/g的10倍多，考慮到實際應用時的各種影響因素，如果正極採用高鎳三元材料，則電池的能量密度有可能做到500Wh/kg。同時，在充電速度、輕量化設計、溫度控制等方面，固態電池結合鋰金屬負極也有較大優勢。這使得新一代鋰金屬固態電池在新能源汽車、航空航天、消費電子等領域具有廣闊的應用前景。
03
金屬鋰+超薄鋰帶，贛鋒、天齊紛紛加碼
除了帶動固態電池的更新迭代外，鋰金屬負極的研發與應用，也將帶動鋰資源市場新增需求的進一步增長。
作為鋰資源的主要應用，包括鋰電池、玻璃與陶瓷，以及鋰基潤滑劑的生產。其中鋰電池一項就佔了全球鋰消耗量的60%。而其中絕大部分又是用於生產磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等鋰電池正極材料。
然而，隨着傳統鋰電池的需求增長低於預期，導致鋰電池正極材料相關產業紛紛陷入產能過剩的局面。在這種背景下，鋰金屬負極的成功應用無疑使人眼前一亮。相關研究機構預測，儘管目前金屬鋰負極的產業化尚處於初期，需求量很小，但是隨着固態電池產業化的突破和量產，預計2030年市場規模將超過百億元，需求也將超過2.5萬噸。
也許正是基於這一長遠預期，目前贛鋒鋰業、天齊鋰業作為我國主要的兩大鋰資源企業也已經開始布局。
其中，2024年，贛鋒鋰業在江西新余的4GWh混合固液電池產線已投產。同時，其在江西宜春和奉新擁有合計2150噸的金屬鋰產能，青海年產1000噸金屬鋰項目也已部分進入試生產階段。
同時在鋰金屬負極加工上，贛鋒鋰業的超薄鋰帶已具備量產能力，可針對循環性能、加工性能、電化學穩定性等各類需求提供對應的解決方案。贛鋒鋰業表示，目前公司已實現 300mm 寬度的超寬幅超薄鋰帶量產；銅鋰複合帶中鋰箔厚度可達到 3 微米。以超薄鋰帶或銅鋰複合帶作為負極的金屬鋰電池被認為是最具發展潛力的電池，搭載鋰金屬負極的贛鋒固態電池能量密度可超過500Wh/kg。
而對於天齊鋰業來講，其已經在年報中表示，重慶銅梁生產基地現有 600 噸/年金屬鋰產能，對公司布局固態電池領域擁有重要意義。同時，天齊鋰業還在推進年產1000噸金屬鋰及配套原料的項目建設。此外，針對金屬鋰材料在新一代電池領域的運用，天齊鋰業也已成功製備出厚度在 10 微米以下的超薄鋰膜樣品，並通過卷對卷（R2R）工藝實現了穩定產出。
除了上述兩家企業外，目前，盛新鋰能、中能鋰業、億緯鋰能等上市企業也都在紛紛布局超薄鋰帶作為鋰金屬負極材料的應用。
