電解質(zhì)固態(tài)或液態(tài)不重要，鋰金屬負(fù)極才是電池終極方向？

12月14日，鋰金屬電池開(kāi)發(fā)者及制造商麻省固能新能源科技有限公司（前身為SolidEnergy Systems，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SES”）舉辦了第二屆SES Battery World活動(dòng)。在圓桌活動(dòng)環(huán)節(jié)，SES創(chuàng)始人胡啟朝表示，未來(lái)電池的終極目標(biāo)并不是在電解液上實(shí)現(xiàn)固態(tài)，而是在電池負(fù)極成功使用鋰金屬。

不過(guò)，當(dāng)天參與討論的來(lái)自本田汽車(chē)和現(xiàn)代汽車(chē)的技術(shù)專(zhuān)家仍然表示，鋰金屬電池未來(lái)能否成功商業(yè)化，電解質(zhì)是液態(tài)還是固態(tài)仍然至關(guān)重要。

而本田汽車(chē)技術(shù)研究院先進(jìn)技術(shù)中心資深工程師Yoshiya Joshua Fujiwara進(jìn)一步透露，目前本田對(duì)于全固態(tài)鋰金屬電池和液態(tài)電解質(zhì)鋰金屬電池兩種技術(shù)都展開(kāi)了研究。

通常認(rèn)為，要想將現(xiàn)有的動(dòng)力電池能量密度提升一個(gè)量級(jí)，電池負(fù)極使用金屬鋰是必然選擇。鋰金屬作為負(fù)極，理論容量3860 mAh/g，約為石墨的10倍，與現(xiàn)有鋰離子電池正極體系搭配，電池能量密度可輕松達(dá)到400Wh/kg以上。

去年，SES發(fā)布了Apollo大型鋰金屬電芯，容量為107Ah，能量密度為417Wh/kg，成為當(dāng)時(shí)全球容量最大的鋰金屬電池電芯。今年的活動(dòng)上，SES還公布了目前公司三款鋰金屬電池電芯的數(shù)據(jù)，其中102.8Ah的電芯在低功率（C/10）、室溫25攝氏度的條件下，能量密度能夠達(dá)到383 Wh/kg。

在初成立時(shí)，SES本計(jì)劃是研發(fā)生產(chǎn)全固態(tài)鋰金屬電池，但全固態(tài)鋰金屬電池商業(yè)化實(shí)現(xiàn)確實(shí)有不小的難度。據(jù)胡啟朝介紹，目前SES采用的高濃度電解液選用了特殊材料，包括特殊的鹽、溶劑，是流動(dòng)態(tài)的，專(zhuān)門(mén)為鋰金屬負(fù)極設(shè)計(jì)。

在胡啟朝看來(lái)，這一方案是目前進(jìn)展最快的鋰金屬電池技術(shù)解決方案，既能實(shí)現(xiàn)電池能量密度的大幅提升，同時(shí)還能夠較大程度沿用現(xiàn)有液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池的工藝和設(shè)備，具有較好的可制造性，以此實(shí)現(xiàn)成本可控。

不過(guò)，在此前一些業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，在影響鋰金屬電池關(guān)鍵電化學(xué)性能的各種組分中，電解質(zhì)的地位顯著，因?yàn)樗刂浦?電解質(zhì)間相(SEI)的特性和鋰沉積形態(tài)，與充放電可逆性密切相關(guān)。基于其對(duì)界面性能的影響，電解質(zhì)是液態(tài)還是固態(tài)，對(duì)鋰金屬負(fù)極電池實(shí)際的能量密度、庫(kù)倫效應(yīng)、循環(huán)壽命等仍然有不同的影響。

例如液體(非水)電解質(zhì)具有高離子電導(dǎo)率，同時(shí)電極與隔膜表面之間具有優(yōu)異的潤(rùn)濕性。其中，醚基電解質(zhì)因其對(duì)鋰金屬存在還原穩(wěn)定性而被廣泛采用。然而，這些電解質(zhì)抗氧化的穩(wěn)定性差，極大限制了它們?cè)诟邏赫龢O的應(yīng)用。

而固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢(shì)在于，利用其高模量，能夠更有效抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，從而更加安全，但其缺點(diǎn)也很明顯。近年來(lái)，研究者對(duì)以固體氧化物、固體硫化物、固體聚合物和有機(jī)-無(wú)機(jī)混合電解質(zhì)為代表的不同類(lèi)型固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行了研究，盡管?chē)L試了許多不同的改性方法，來(lái)增強(qiáng)固態(tài)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性，但固態(tài)電解質(zhì)諸如電極-電解質(zhì)接觸不足導(dǎo)致更大的界面電阻、適應(yīng)體積變化的能力差以及電極粒子的潤(rùn)濕問(wèn)題等，仍然阻礙著固態(tài)鋰金屬電池的性能，從而妨礙了它們的商業(yè)化。

在此次圓桌討論中，現(xiàn)代汽車(chē)先進(jìn)電池開(kāi)發(fā)部全球研發(fā)專(zhuān)家Yongjun Jang表示，液態(tài)電解質(zhì)鋰金屬電池和固態(tài)鋰金屬電池的最終目標(biāo)都是負(fù)極使用鋰金屬，但確保電池壽命的方法不同。使用液態(tài)電解質(zhì)的鋰金屬電池，必須通過(guò)穩(wěn)定的氧化還原反應(yīng)，阻止電解液和界面處的鋰金屬負(fù)極損耗過(guò)快。另一方面，對(duì)于全固態(tài)鋰金屬電池而言，要保持固態(tài)電解質(zhì)和鋰金屬連續(xù)而又緊密的接觸，并防止因形成鋰枝晶而造成電池短路。

“不同的電解質(zhì)是決定高能量密度電池能否擁有長(zhǎng)壽命的重要因素。與小容量電池相比，電解質(zhì)對(duì)大容量電池更為敏感和重要。只有解決了這個(gè)問(wèn)題，新電池才有可能商業(yè)化。”Yongjun Jang說(shuō)。

本田汽車(chē)技術(shù)研究院先進(jìn)技術(shù)中心資深工程師Yoshiya Joshua Fujiwara介紹，目前本田對(duì)于全固態(tài)鋰金屬電池和液態(tài)電解質(zhì)鋰金屬電池都展開(kāi)了研究。目前還不清楚哪一種成本更低，液態(tài)電解質(zhì)鋰金屬電池與鋰離子電池的制造工藝相似，而固態(tài)電池的制造工藝是全新的，兩種不同的技術(shù)路線本田都在嘗試。哪一種能夠更早地實(shí)現(xiàn)商業(yè)化目前來(lái)看也比較難說(shuō)。

據(jù)了解，今年4月，本田宣布將打造全固態(tài)電池示范生產(chǎn)線，投資430億日元（約合人民幣21.8億元），計(jì)劃于2024年春季啟動(dòng)。

盡管兩家車(chē)企對(duì)不同電解質(zhì)路線的鋰金屬電池看法不一，但仍然都表現(xiàn)出了對(duì)SES公司目前選用的高濃度液態(tài)電解液鋰金屬電池的興趣。Yoshiya Joshua Fujiwara在討論中稱(chēng)，“高能量密度的鋰金屬負(fù)極是實(shí)現(xiàn)低成本電池技術(shù)的關(guān)鍵。我們要考慮生產(chǎn)效率、可靠性，最終希望能夠降低電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)格。”

據(jù)了解，SES的創(chuàng)始人胡啟朝在2007年獲得麻省理工大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2012年獲得哈佛大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)博士學(xué)位，同年創(chuàng)立SES。去年7月，SES與艾芬豪資本收購(gòu)公司合并，今年2月，SES在紐交所正式完成上市。

目前SES不僅吸引了包括通用、現(xiàn)代、吉利、上汽等國(guó)內(nèi)外車(chē)企的戰(zhàn)略投資，還成為全球唯一一家和車(chē)企簽訂A樣品合作開(kāi)發(fā)協(xié)議的鋰金屬電池企業(yè)。

今年3月，SES與通用汽車(chē)簽訂全球首個(gè)車(chē)用鋰金屬電池A樣品的合作協(xié)議，5月，又與現(xiàn)代汽車(chē)簽署了全球第二個(gè)A樣品合作協(xié)議。據(jù)介紹，明年SES將會(huì)有鋰金屬電池B樣品推出。目前，SES在上海嘉定的鋰金屬電池超級(jí)工廠也正在建設(shè)中。

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