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

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

不過，當天參與討論的來自本田汽車和現(xiàn)代汽車的技術專家仍然表示，鋰金屬電池未來能否成功商業(yè)化，電解質(zhì)是液態(tài)還是固態(tài)仍然至關重要。

而本田汽車技術研究院先進技術中心資深工程師Yoshiya Joshua Fujiwara進一步透露，目前本田對于全固態(tài)鋰金屬電池和液態(tài)電解質(zhì)鋰金屬電池兩種技術都展開了研究。

通常認為，要想將現(xiàn)有的動力電池能量密度提升一個量級，電池負極使用金屬鋰是必然選擇。鋰金屬作為負極，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，成為當時全球容量最大的鋰金屬電池電芯。今年的活動上，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，能量密度能夠達到383 Wh/kg。

在初成立時，SES本計劃是研發(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)化實現(xiàn)確實有不小的難度。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，是流動態(tài)的，專門為鋰金屬負極設計。

在胡啟朝看來，這一方案是目前進展最快的鋰金屬電池技術解決方案，既能實現(xiàn)電池能量密度的大幅提升，同時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備，具有較好的可制造性，以此實現(xiàn)成本可控。

不過，在此前一些業(yè)內(nèi)人士看來，在影響鋰金屬電池關鍵電化學性能的各種組分中，電解質(zhì)的地位顯著，因為它控制著固-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。基于其對界面性能的影響，電解質(zhì)是液態(tài)還是固態(tài)，對鋰金屬負極電池實際的能量密度、庫倫效應、循環(huán)壽命等仍然有不同的影響。

例如液體(非水)電解質(zhì)具有高離子電導率，同時電極與隔膜表面之間具有優(yōu)異的潤濕性。其中，醚基電解質(zhì)因其對鋰金屬存在還原穩(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，極大限制了它們在高壓正極的應用。

而固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢在于，利用其高模量，能夠更有效抑制鋰枝晶生長，從而更加安全，但其缺點也很明顯。近年來，研究者對以固體氧化物、固體硫化物、固體聚合物和有機-無機混合電解質(zhì)為代表的不同類型固態(tài)電解質(zhì)進行了研究，盡管嘗試了許多不同的改性方法，來增強固態(tài)電解質(zhì)的離子導電性，但固態(tài)電解質(zhì)諸如電極-電解質(zhì)接觸不足導致更大的界面電阻、適應體積變化的能力差以及電極粒子的潤濕問題等，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)代汽車先進電池開發(fā)部全球研發(fā)專家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都是負極使用鋰金屬，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，必須通過穩(wěn)定的氧化還原反應，阻止電解液和界面處的鋰金屬負極損耗過快。另一方面，對于全固態(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壽命的重要因素。與小容量電池相比，電解質(zhì)對大容量電池更為敏感和重要。只有解決了這個問題，新電池才有可能商業(yè)化。”Yongjun Jang說。

本田汽車技術研究院先進技術中心資深工程師Yoshiya Joshua Fujiwara介紹，目前本田對于全固態(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，兩種不同的技術路線本田都在嘗試。哪一種能夠更早地實現(xiàn)商業(yè)化目前來看也比較難說。

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），計劃于2024年春季啟動。

盡管兩家車企對不同電解質(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，“高能量密度的鋰金屬負極是實現(xiàn)低成本電池技術的關鍵。我們要考慮生產(chǎn)效率、可靠性，最終希望能夠降低電動汽車的價格。”

據(jù)了解，SES的創(chuàng)始人胡啟朝在2007年獲得麻省理工大學物理學學士學位，2012年獲得哈佛大學應用物理學博士學位，同年創(chuàng)立SES。去年7月，SES與艾芬豪資本收購公司合并，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、上汽等國內(nèi)外車企的戰(zhàn)略投資，還成為全球唯一一家和車企簽訂A樣品合作開發(fā)協(xié)議的鋰金屬電池企業(yè)。

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

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