锂金属电池采用锂金属负极代替传统的石墨或硅基负极，锂金属负极具有传统石墨负极10倍的比容量，通过与高容量正极体系搭配，使用固态电解质，可实现超出目前锂电池40%的比能量，达到500Wh/kg以上，可支持新能源汽车创新应用。但锂金属电池存仍存在关键科学问题和产业化问题尚未解决，制约了其进一步发展。2024年4月26日，中国汽车工程学会主办，电动汽车产业技术创新战略联盟、安徽盟维新能源科技有限公司承办的“锂金属电池赋能空地交通全面电动化技术研讨会”顺利举办，结合与会嘉宾报告、参会嘉宾观点、行业资料等，形成《锂金属电池赋能空地交通全面电动化关键技术研究报告》，概要内容如下。

 

一科学问题及产业化问题核心观点

（1）复合金属锂负极及锂金属电池科研进展及科学问题

1. 金属锂负极在沉积过程中会产生“枝晶”，在溶出过程中会产生“死锂”。“枝晶”和“死锂”对循环寿命和安全性会造成不利影响，该如何减少这两种现象？

2. SEI层对金属锂负极性能发挥十分关键，然而在循环过程中，金属锂的不均匀沉积会导致SEI破裂和重构，加速电解液消耗并增加副反应，如何抑制这一现象？

3. 金属锂负极与固态电解质界面接触可能面临接触面积过小引起阻抗过大问题，如何预防和解决？

4. 与高镍三元/富锂锰基正极、金属锂负极匹配的固态电解质最合适的技术路线？锂硫、锂空电池用金属锂负极有何特殊需求？

 

（2）锂金属电池工程实践进展及产业化应用问题

1. 全固态锂金属电池在使用中因体积效应问题，循环寿命通常衰减较快，如何解决这一工程难题？

2. 金属锂负极容易产生锂枝晶，有短路引发热失控的风险，如何通过电芯设计和系统集成进行抑制和预防？

 

3. 锂金属电池产业化的核心难点是什么？预计量产时间和大规模应用的时间节点？预计的应用领域？应用车型的最适合场景？

4. 锂金属电池和硅基负极制备的混合固液/全固态电池有何明显差异？成本相比如何？锂金属电池远期成本、市场渗透拐点、未来市场份额的预测？

 

 

二 整体研究架构

 

 

三 研究内容部分结论

本包括包括五章：空地全面电动化发展背景、金属锂负极面临挑战及解决思路、应用于固态电池本征安全提升策略、锂金属电池制造工艺及装备探索、锂金属电池技术趋势及应用场景。下面从每一章节选取典型内容进行简介。

（1）空地全面电动化发展背景

1. 低空经济地位进一步提升至“国家战略性新兴产业”，产业培育信号明确

2021年2月中共中央、国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》，首次提出发展低空经济；2023年12月的中央经济工作会议上，明确将“低空经济”列为国家战略性新兴产业。

多省份积极跟进国家政策，推动低空经济发展，低空经济成为2024年地方两会热议的关键词。在地方层面，广州、深圳、合肥、成都等地均在大力发展低空经济，其中四川、海南、湖南、江西、安徽等5个省份为全国首批低空空域管理改革试点省份。

 

2. 半固态电池实现量产，即将规模化应用；全固态电池26年后逐渐应用

作为液态电解质到固态电解质的过渡技术，半固态电池成为国内电池企业产品布局的重要一环，目前部分企业半固态电池已在相关车型上得到装车验证，并于2023年实现小批量生产，如赣锋锂业、卫蓝新能源、清陶能源等；近两年，东风风神E70、岚图追风、蔚来ES6/ET7等车型已相继搭载半固态电池，随着多家车企装车，半固态电池即将实现规模化应用。

全固态电池已有多个样品发布，预计2026年后逐渐迎来小规模试制，2028年后迎来规模化应用。

（2）金属锂负极面临挑战及解决思路

1. 金属锂负极还原性强、体积膨胀大，带来一系列挑战

金属锂负极关键挑战包括：1.沉积时体积膨胀破坏脆弱的SEI；2.Li枝晶通过裂缝生长；3.剥离时体积收缩进一步破坏SEI，电接触失效产生死锂；4.连续循环较厚的SEI层和过量的死锂，导致离子传输受阻和容量衰退。

金属锂负极易生长锂枝晶、还原性强、体积膨胀大的特性，带来一些列问题：如持续SEI膜的生成，会消耗大量电解液；易生成锂枝晶，刺穿隔膜，造成内短路。

2. 构筑三维金属锂复合负极可实现快速导锂和亲锂沉积

基于锂定向可逆沉积原理，设计复合锂负极，构筑高稳定性界面、轻质三维骨架结构，实现三维快速导锂、亲锂沉积。

通过研究骨架/金属锂界面下锂碳复合负极的连续转化&脱嵌机制和电解质/金属锂界面下高含锂合金负极抑制晶间反应，提高金属锂负极的综合性能。

（3）应用于固态电池本征安全提升策略

1. 液态电池安全性主要是正极释氧和电解液反应，提出潜在解决方案

普通电解液的NMC333电池250℃前的副反应主要是负极/电解液的反应（LFP类似）；250oC正负极串扰（Ca+An crosstalk）是热失控热来源的主要（LFP不存在）。

传统电解液高镍三元NMC811电池，由于正极释氧与EC反应，正极与电解液反应首先起主导作用；正负极串扰是较大问题。

2. 原位固态技术可抑制负极界面放热副反应，是有效提高电池安全性手段

目前提高固态电池安全性的方案包括：LATP正极添加剂、LATP涂覆隔膜、原位固化等。

比较不同方案优劣势，发现动力电池的性能要综合成本、倍率性能、安全性，目前来看原位固态是较好的解决手段，可抑制负极界面放热副反应，并减缓正负极材料间的热失控剧烈反应。

（4）锂金属电池制造工艺及装备探索

1. 锂金属电池全生命周期都要保持足够界面接触性，需要加压设计和制造

锂金属电池设计和制造的一大挑战是接触界面应力不稳定、易变形，导致接触阻抗过大，因此界面保持是设计及制造必须考虑的因素。

解决全固态电池充放电材料膨胀带来的退化问题：从材料选择设计、电池结构设计、电池制造、使用过程加压保护。

2. 按固态电解质类型，可分为半固态、凝聚态和全固态，工艺路线不同

根据固态电解质类型不同，锂金属电池可分为半固态、凝聚态和全固态。

其工艺路线略有差异，主要集中在电解质膜的制备过程和固态电解质的涂布时间。

（5）锂金属电池技术趋势及应用场景

1. 金属锂具有超高比能量，是负极材料的远期发展目标

采用金属锂作为负极是提高电池能量密度的重要途径，希望能够控制锂表界面的电化学反应，利用锂的沉积和脱出进行储能。

金属锂理论比容量达到3860mAh/g，同时具有低电极电势（−3.04 V vs 标准氢电极），是电池下一代负极材料的潜在目标。

2. 锂金属电池市场前景广阔，多个应用场景均能发挥优势

锂金属电池预计小批量试制在2026年，规模量产时间在2030年左右，目前已有企业在无人机完成了技术导入，近期正在向平流层航空器和eVTOL进行拓展。预计应用场景是追求高比能的领域，如航空器、无人机、飞行汽车、高端新能源汽车等。

预测锂金属电池未来适用于成本相对不敏感的场景，远期成本是实现0.6元/Wh，规模量产起步期预测为2030年，市场份额为0.5%。

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中国汽车工程学会电动化研究中心 孙旭东 18501473450（微信同号）

另外，电动化研究中心和联盟针对热点技术话题持续开展小而精的闭门研讨会，剖析痛点和短板，洞察发展趋势。通过专家研判和案头研究，形成研究报告。以下为2024年已经召开的三场研讨会，欢迎感兴趣的企业联系策划和承办。