锂离子电池vs锂金属电池：未来属于谁？

时间:2015-11-20 09:22来源:OFweek 锂电网作者:西顾

点击: 次

　　对于那些成为我们身体延伸部分的设备，如智能手机、可穿戴设备以及电动汽车，对高能量密度的追求是其核心。锂是元素周期表中最轻最具负电性的金属，是负极的最佳选择。然而，由于锂金属具有很强的反应活性，在上世纪90年代至21世纪初逐渐销声匿迹，并被锂离子电池逐步取代，在锂离子电池中，不含锂金属。随着电解液方面的最新进展，锂金属实现了强势回归。SolidEnergy公司于2012年成立，在锂电池产业处于混乱之际，在电池安全和能量密度方面带来了革命性的改变，并引入了新的商业模式。SolidEnergy实现了锂金属电池技术的复兴，开发了电解液和负极材料，该锂金属电池非常安全，具有超高能量密度。根据锂金属电池材料的特性，锂金属电池可以使用目前锂离子电池的生产工艺，在商业模式上，公司建立了开放型生态系统，与知名公司开展战略合作，来加速这项突破性技术在电池行业的商业化。SolidEnergy的目标是为人来的生活提供能量，无论他们是在用手机和心爱的人通话，还是和家人一起驾驶电动汽车。

　　锂电池的历史：锂离子vs 锂金属

　　在过去的30年里，锂电池行业（包括锂金属和锂离子）取得了极大的进展，包括新的正极、更安全的隔膜材料、更好的电芯组装工艺。在负极和电解液方面仅有几次阶跃性的发展，锂电池发展历史可以根据负极来分类，如图1所示。

图1 由负极角度看锂电池的历史

　　由于其较低的负电性（-3.04V相对于氢电极）、较低的密度、高锂离子储容量（3850mAh/g），锂金属是负极的最佳选择。从1970年开始，在一次电池的应用中，锂金属就证明了其高能量密度特性，这些应用包括可植入医疗设备、航天航空以及油田服务。最早期的二次可充锂电池在实验室得到验证时，先驱者如Stanley Whittingham和John Goodenough等也使用了锂金属负极、嵌入材料正极如TiS2，LiCoO2，VOx 和MoS2。最早的商业化可充锂电池（图1中第0代）由Moli Energy公司开发，在上世纪80年代他们使用金属锂作为负极，能量密度达到了100-200Wh/kg，200-300Wh/L。

　　然而，早期的锂金属电池（第0代）有个主要的缺点，那就是在充电过程中粉末化锂枝晶的形成（在一次电池中不存在此问题）。在充电时，从正极里出来的新生的锂被镀至锂金属负极。当电解液为有机碳酸液时，它与锂金属发生反应生成沉淀型粉末化，该晶状结构可刺穿隔膜导致内部短路甚至爆炸，并引发严重的安全问题。除此之外，电解液与锂金属的反应还形成不稳定的固体电解质界面（SEI）层，消耗了电解液与锂，导致很低的效率。同时，为达到可接受的循环寿命（>200），就需要更厚的锂金属负极，会降低能量密度。

　　出于对安全性以及能量密度的关注，工业界由锂金属转向了无锂金属的锂离子，在锂离子系统中，正极和负极均为嵌入化合物。石墨虽然在锂离子存储容量上仅有380mAh/g（锂金属的十分之一），但是允许锂离子自由的嵌入和脱嵌，并形成相对稳定的SEI层，取代了锂金属成为工业界标准负极材料。锂在锂离子系统中以离子形式存在，而不是金属形式。索尼于 1991年商业化了第一个锂离子电池（第1代），使用了石墨负极与LiCoO2正极。尽管索尼也遇到了安全问题，然而相对于第0代锂金属电池，第1代锂离子电池在安全和能量密度方面依然取得了巨大的进步（尽管很多能量密度的进步来自正极和电芯组装工艺）。Moli公司商业化的第0代锂金属电池逐渐消失了。

　　基于石墨的第1代锂离子电池在上世纪90年代至今逐渐成为了市场主流。在2005年左右，工业界尝试提高石墨负极的能量密度，他们通过将不同形式的硅混入形成硅-碳混合负极，将锂离子的存储容量提高至1500mAh/g。尽管硅-碳混合负极面临循环寿命、容积膨胀、不稳定SEI层等问题，依然被认定为第2代锂离子电池，相比于第1代锂离子电池，在重量能量密度（Wh/kg）和体积能量密度（Wh/L）方面均有显著提高。

全固态锂金属电池的发展

　　从1990年至2010年，如何努力解决锂金属/液态电解质组合中粉末化锂和锂枝晶的形成一支困扰着第0代锂金属电池的发展。主要集中在用固态电解质代替液态电解质，形成全固态锂金属电池。固态电解质包括聚合物电解质、陶瓷电解质。聚合物电解质比较典型的是锂盐和锂离子导电聚合物如聚环氧乙烷（PEO）的结合，陶瓷电解质如LiPON， thio-LISICON， La0.5Li0.5TiO3， Li7P3S11 and Li10GeP2S12。这些固态电解质有非易燃性以及非挥发性，相比有机碳酸酯液体电解质更加安全。

　　固态电解质可以使用滚压工艺进行大量生产，并由Avestor、Bathium、Seeo等公司成功商业化生产。固态陶瓷电解质需要真空沉积，这项成本较高的技术在半导体工业中已普遍应用，并由 Infinite Power Solutions、Cymbet、Sakti3等公司成功商业化生产。然而，由于固态电解质具有较低的导电率和较差的电极-电解质界面，固态锂金属电池被限制在高温和微尺寸薄膜应用中，无法应用到主流消费电子产品中，并在电动汽车中取得了很有限的应用。

　　尽管无锂金属的锂离子电池持续占绝对优势，其本身却面临一个限制：能量密度。锂离子依靠嵌入负极如石墨或硅-碳合成负极，这两种负极均属于惰性负极。嵌入负极仅为锂离子提供主体结构，却对能量存储毫无贡献，被认为是“负重”。这限制了锂离子的能量密度。另一方面，锂金属则没有类似问题，因为锂金属没有不相容的主体结构，而是纯粹由锂离子组成。

　　锂金属可以被分为三类：锂/嵌入正极，锂 /硫，锂/空气。其中最具有雄心的是锂/空气，具备大于10，000Wh/kg的潜力（接近汽油），但是由于基础科学问题距离商业化还有很长的路要走。锂 /硫经过验证有约500Wh/kg的商业应用，并成功应用在对轻量化要求最高的航空领域。但是其体积能量密度（Wh/L）比锂离子低很多，庞大的体积也阻碍了其在消费电子以及电动汽车上的应用。锂/嵌入正极与锂金属负极得到成功验证，相比于石墨负极，其重量能量密度以及体积能量密度可提高一倍，相比于硅- 碳合成负极，其重量能量密度以及体积能量密度可提高50%（图1）。

　　不论正极是空气、硫还是高压嵌入，对于所有锂金属来说，关键的技术是电解液，需要在高能量密度下稳定提供锂金属循环并不生成粉末化锂枝晶的电解液。在接近2010年左右，针对锂金属的电解液研究迎来了复兴，在此领域内有公开发表的资料数量为证（图2指出锂金属初始是个热点，后来逐渐消退，现在又迎来了春天）。包括新型能为锂提供更高效率的锂盐（包括室温离子液体），在电镀时使用添加剂平滑锂金属表面的粉末和枝晶，新的盐和溶剂的搭配，以及使用新型材料和工程技术在锂之上添加保护层。第3代锂金属电池是技术的复兴，它建立在上世纪末本世纪初的全固态电池基础上，但突破了高温以及薄膜的应用限制。

图2 锂金属的复兴。锂金属相关公开发表资料数量

图3 尺寸减半。SolidEnergy原型电池（左）达到400Wh/kg和1200Wh/L，

是苹果iPhone6电池的两倍（右）SolidEnergy的由来

　　SolidEnergy公司于2012年春天成立，致力于安全并具有超高能量密度的“无负极”电池开发和商业化。使用了超薄锂金属负极（负极薄到可以忽略不计），固体聚合物和离子液体结合的电解液，该概念最早是由麻省理工学院（MIT）提出的。不幸的是，2012年经历了锂电池工业的溃败，许多大的锂离子电池和电动汽车生产商在筹集了数百亿美元后依然申请了破产。虽然整体环境对于一家刚刚诞生的公司非常不利，但SolidEnergy坚持了下来，并在灰烬中成长起来。SolidEnergy拿到了 MIT的全球独家许可，并与重生的A123和领先的消费电子公司形成战略合作关系，并从大型汽车公司筹集到了风险投资。在一年多的时间里，SolidEnergy以产业界前所未有的速度在实际中验证了2Ah的原型电池（并不仅基于仿真理论结果），400Wh/kg和1200Wh/L，是苹果iPhone6电池能量密度的两倍（图3），这些验证均在室温条件下，由第三方机构独立完成。

　　SolidEnergy在生态系统中的位置

　　除了在技术上实现复兴，SolidEnergy在商业模式上也实现了复兴。SolidEnergy从过往的公司身上吸取了很多重要的教训，这些公司很多在起始时都有突破性的技术，却把焦点偏离到了电池生产上，并试图和知名公司在异常激烈的领域展开竞争，并且是产能过剩并且资本非常密集型的竞争领域。与此同时，知名公司对于突破性技术投入大量资源持比较保守的态度。结果是，锂电池产业取得了很多进步，但是很少有颠覆性的进步。

　　SolidEnergy将目光聚焦在可以创造最大价值的地方，即电池关键原材料。SolidEnergy在电池材料方面实现了创新，而不是在电池制造方面，但是新材料的电池可以在现有的锂离子电池生产线上进行生产。这就避免了在大量基础设施投资方面的重复投资，利用已建立的生态系统，有效地实现价值最大化。

　　图4给出了SolidEnergy的商业模式，以及在整个生态系统中的位置。SolidEnergy从化学以及设备战略伙伴处获得原材料并进行加工。公司开发两种关键原材料：负极，在锂/铜上进行负极固态电解质涂覆；正极电解液（正极和负极分属两种不同电解液），由盐、离子液和其他化学品组成。这两种电池材料随后提供给电池生产商，和隔膜以及正极一起组成完整的电池。SolidEnergy不生产电池，但提供电池生产的关键性材料。

图4 SolidEnergy所处的生态系统。SolidEnergy在材料方面实现了创新，

而不是在制造方面（其贡献为绿色区域）

　　SolidEnergy与电池终端用户一起工作，如消费电子商和汽车公司，完成电池设计，并与电池生产商一起开发工程和生产工艺。这个开放型生态系统将SolidEnergy的无负极电池设计和材料无缝集成至终端用户上，减小了基础设施投资和产业冗余。

　　在SolidEnergy之前的许多公司失败是由于他们目标限定在电动汽车而忽略了消费电子。电动汽车对性能和成本的要求最为苛刻，开发周期长，举例说明，电动汽车需要8年的质保，智能手机仅需要2 年的质保。如今多数成功的电动汽车电池生产商都先在消费电子领域建立了强大的基础。在消费电子领域，快速的更新周期以及相对容易的性能和成本要求使其成为一个理想的平台，开发、验证和优化一项新的电池技术，直至其足够成熟应用到电动汽车上。

SolidEnergy对未来的愿景

　　SolidEnergy的“无负极”电池商业化路线图覆盖了好几个市场领域，包括无人机、手表、可穿戴设备、智能手机以及电动汽车（图5）。从左到右，市场容量越来越大，进入难度也越来越高。无人机、手表和可穿戴设备看重高能量密度，却需要相对较小的容量，是新电池技术测试的最好滩头阵地。智能手机和电动汽车除了注重高能量密度外，还注重规模和成本，需要更高的容量，从长期来看是建立大型公司的优质市场。

　　尽管这些市场看上去差别很大，电池也有不同的形式因素和不同的制造工艺，然而SolidEnergy的关键材料都能适用，并在正极和其他领域驾驭创新的浪潮，保证灵活性与使用寿命。 SolidEnergy的材料将于今年在无人机上使用；2016年进入手表和可穿戴设备领域；2017年进入智能手机领域；2018年进入电动汽车领域。

图5 SolidEnergy无负极电池的路线图（第3代锂金属）

　　现在是2015年，锂离子无法满足日益增长的高能量密度需求，即使在其最佳工艺条件下也已经接近其理论极限。如果我们拒绝让电池技术限制对智能设备和清洁运输的愿望，我们必须聚焦于下一代可实现解决方案，锂金属。尽管锂金属依然面临很多挑战，但当前在技术上以及商业模式上的复兴给了我们足够的信心，相信锂金属不久就会在业界收复失地。

(责任编辑：admin)

文章标签：

作者：西顾，如若转载，请注明出处：http://www.cbcu.com.cn/a/zixunzhongxin/xinwenzixun/20151120/10060.html

看完这篇还不够？如果你也也是同行业需要发布您的新闻报道，请戳这里告诉我们！

免责声明：本文仅代表作者个人观点，与中国电池联盟无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本网证实，对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。
凡本网注明 “来源：XXX（非中国电池联盟）”的作品，均转载自其它媒体，转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的，请在一周内进行，以便我们及时处理。
QQ：503204601
邮箱：cbcu@cbcu.com.cn

【报告嘉宾公布】千人储能盛会！120+专家报告！院士报告+6大分论

直播链接公布丨新型储能寿命模拟预测比赛决赛比拼即将拉开帷幕！

相关新闻

总投资1.5亿元四川省电池与材料创新中心启动创建

日前，眉山市甘眉工业园区与四川国创成电池材料有限公司，在眉山举行了合作建立四川省电池与材料创新中心的签约仪式，中心启动创建。四川省电池与材料创新中心总投资1.5亿元，其中，眉山市政府和甘孜州政府共同资助3000万元。四川省电池与材料创新中心定位

2017-03-14 17:42
工信部部长苗圩：新能源汽车政策没有歧视外资

工信部部长苗圩在3月11日举行的十二届全国人大五次会议记者会上称，新能源汽车准入条件要求企业必须掌握全套的开发技术和制造技术，这个要求不只是针对外资企业，更不是强制要求外资企业把技术转让到中国来。我们对内外资企业都是一视同仁的。苗圩说。苗圩

2017-03-13 14:46
氢燃料电池无人机首次应用于光伏巡检

2月27日，众宇动力轻骑兵氢燃料电池无人机在银川滨河新区宝丰光伏电站项目示范区进行了巡检，采用氢燃料电池动力系统协助电站工人解决日常运维检修工作中的难题。长期以来，光伏电站项目选址大多在平原、山坡等无明显阳光遮挡区域，各类电站在建设过程中，

2017-03-13 14:31
总投资50亿元电池项目落地万年

3月6日，万年县与超届融创集团签约仪式在万年县政府常务会议室举行。这标志着总投资50亿元镍氢动力、储能、蓄能电容电池项目正式落户万年。高性能镍氢动力、储能、蓄能电容电池，是一种介于物理电容和化学电源之间的新兴绿色环保储能电源产品。目前高性能镍

2017-03-13 14:21
新型高安全性隔膜的锂离子动力电池关键技术获突破

2月28日，科技部高新司组织专家在北京对十二五国家科技支撑计划项目锂离子动力电池用新型高安全性隔膜研究及应用示范项目进行了验收。验收专家组按照《国家科技支撑计划管理办法》和《国家科技支撑计划专项经费管理办法》等有关规定，听取了项目负责人对项目

2017-03-07 16:03
张天任代表：加快废旧动力锂电池的回收利用

张天任和他的团队专门对当前新能源汽车产业发展的状况和动力电池回收利用的现状进行了深入研究。据介绍，自20世纪90年代以来，随着锂电池广泛应用，我国成为世界上最大的锂电池生产、消费和出口国，近年来我国出台了购置补贴、税费减免、研发支持、消费优惠

2017-03-07 16:00
直击“绿色能源·智能制造” 共话动力锂电池技术进展与智能

2017年3月1日由中国电池联盟、中国电子节能技术协会电池专业委员会主办，中国电器工业协会、中国高科技产业化研究会、中国电子节能技术协会、北京理工大学支持，佛山市金银河智能装备股份有限公司协办的大型公益绿色能源智能制造暨动力锂电池技术进展与智能

2017-03-03 18:48
欧盟加速锂离子电池绿色设计开发

1月18日，超华科技(002288)在接受投资机构调研时对外表示，扩产的锂电铜箔设备已进厂，目前正在紧锣密鼓的安装调试中，公司内部要求在3月初之前开始试产并确保产能逐渐释放。超华科技称，公司新扩产设备全部原装进口于日本，是目前市场上最先进的铜箔制造设

2017-01-22 16:51

本月热点

注册资本近1.15亿元！两巨头成立电池回收企业

近日，广州优美再生技术有限公司（以下简称广州优美）正式成立，公司由优湃能源科技（广州）有限公司与格林美集团下属武汉动力电池再生技术有限公司有限公司（以下简称动力再生）携手打造。据了解，广州优美注册资本约1.15亿人民币，经营范围含化工产品销售

2024-04-16 10:29
宁德时代、科达利、特斯拉等发力这一新赛道！

4月22日，科达利发布公告称，公司与台湾盟立台湾盟立、台湾盟英拟共同投资深圳市科盟创新机器人科技有限公司（以下简称深圳科盟）并签署《投资合作协议书》。深圳科盟并签署《投资合作协议书》。深圳科盟注册资本拟为人民币1亿元，其中公司以现金方式投入人

2024-04-24 10:11
续航里程1000公里！宁德时代发布神行PLUS电池

4月25日，在2024北京车展上，宁德时代举行乘用车新品发布会，发布神行PLUS电池，续航里程1000公里。同时，充电10分钟可续航600公里。

2024-04-25 17:53
天奇股份牵手长安汽车共同打造动力电池全生命周期产业链闭环！

天奇股份4月18日公告，拟与中国长安、长安汽车共同投资设立合资公司，并以合资公司为主体合作开展电池回收、梯次利用及再生业务。目标打造成为西南区域领先的电池回收标杆企业。合资公司的注册资本为1.8亿元，其中公司拟出资8820万元，持有合资公司49%的股

2024-04-19 08:42
50亿元！这家公司拟在摩洛哥投建锂电池负极材料项目

4月26日晚间，中科电气发布公告，宣布公司计划通过其控股子公司湖南中科星城石墨有限公司，在中国香港或其他海外地区新设全资子公司，以间接投资方式设立摩洛哥项目公司，实施一项年产10万吨锂离子电池负极材料一体化基地项目。据了解，项目计划总投资

2024-04-29 18:25
全固态电池三大技术路线，谁将最终胜出？

近年来，凭借高密度、更安全性、寿命长等优点，被认为是“最具潜力的下一代锂电池技术”的固态电池受到市场关注，最新消息不断。

2024-04-22 18:17
锂矿龙头一季度预亏超36亿元，收深交所关注函！

4月23日晚间，天齐锂业发布业绩预告，预计今年第一季度同比由盈转亏。同日晚间，深交所对天齐锂业下发关注函，要求其结合主营业务开展情况、产品产销量、产品价格等，分析2024年一季度亏损较2023年四季度大幅增加的原因，并说明是否存在持续亏损风险等。锂

2024-04-25 09:30
又有车企公布全固态电池量产时间！

当地时间4月16日，日产汽车公开全固态电池试生产线的预定设置场所，在生产发动机等的横滨工厂建筑内确保了约1万平方米空间，为搬入设备推进施工。日产计划2025年3月开始生产全固态电池，目标2028年度实现量产。据日产介绍，全固态电池的能量密度是传统锂离

2024-04-18 08:43

欢迎投稿

联系人：王女士
Email：cbcu#cbcu.com.cn
发送邮件时用@替换#
电话：010-56284224

在线投稿

企业微信号

微信公众号