因兼具高比容量和低電極電勢等諸多優勢,鋰金屬有望成為負極材料長期技術演進方向,在全固態電池領域的應用極具前景。
今年以來,行業企業加大了對鋰金屬負極的布局力度。今年9月,重慶鋰德投資55億元的年產5000噸固態電池復合金屬鋰負極材料項目簽約,落戶四川射洪。項目將建設400畝鋰金屬全系產業基地,產品可滿足固態電池等產業的應用需求。該項目采用金屬鋰精餾技術,實現99.99%的電池級金屬鋰定制化配比。
今年7月,天鐵科技發布公告,該公司孫公司安徽天鐵與國內某客戶簽署合作協議,將為后者供應100噸銅鋰復合帶,訂單金額為4億元。銅鋰復合帶是一種由負極集流體(銅箔)與負極活性材料(鋰金屬箔),通過特定工藝復合而成的帶狀材料,是一種常見的鋰金屬負極解決方案,該材料主要應用于鋰金屬固態電池領域。
今年6月,大中礦業發布公告,該公司擬投資10億元在湖南臨武縣建設“年產3000噸金屬鋰電池新材料項目”。該項目一期,擬于2025年完成金屬鋰電池新材料研發小試和中試;二期規劃建設年產1000噸金屬鋰生產線,計劃于2027年底建成投產;三期規劃建設年產2000噸金屬鋰生產線,計劃于2028年底建成投產。
鋰金屬電池材料具有高比容量的顯著優勢,是制造高性能電池、尤其是固態電池所需的重要材料之一。國金證券指出,鋰金屬負極相較石墨、硅碳,可實現更高的能量密度,為固態電池負極側長期迭代方向。目前,國內外企業正在逐步應用鋰金屬負極方案,首款鋰金屬負極全固態電池已實現上車路測。
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全固態電池要突破的關鍵技術
“對于500Wh/kg的車用全固態電池,必須要突破鋰金屬負極技術,這個可能需要借助基于人工智能的材料研發平臺來賦能。”中國科學院院士歐陽明高指出,他預計該技術“產業化的時間,大概在2030年-2035年”。
據業內人士分析,由于鋰金屬負極制備工藝復雜、鋰金屬負極巨大的體積變化、鋰金屬電池微短路等因素的限制,鋰金屬固態電池距離大規模量產應用,還有較長的研究探索路程。目前,眾多企業都在展開技術攻關。
截至目前,包括寧德時代、億緯鋰能、欣旺達、贛鋒鋰業、太藍新能源、安徽盟維、久森新能源、LG新能源、SK On等國內外眾多鋰電池產業鏈企業,以及吉利、上汽、通用、本田、現代等國內外多家車企,都在積極布局鋰金屬固態電池。
據欣旺達透露,該公司已經通過負極使用鋰金屬,進一步將固態電池能量密度提升至500Wh/kg,目前已經有實驗室原型樣品。按照規劃,該公司預計2027年可完成能量密度>700Wh/kg的全固態電池實驗室樣品制作。
據贛鋒鋰業介紹,該公司二代混合固態鋰電池采用了金屬鋰作為負極,在固態電池方面開發的高比能電池能量密度達到420Wh/kg,循環壽命超過700次,并開發出能量密度達到500Wh/kg的樣品。
電池中國注意到,今年6月,久森新能源發布三項研究成果,包括半固態金屬鋰負極電池、硫化物全固態電池及高安全性鋰電池用殼體新材料。據宣稱,其半固態金屬鋰負極電池已進入量產前階段,能量密度達到480Wh/kg,產品將率先應用于無人機領域,隨著技術的逐步成熟,會逐步地推廣至乘用車市場。
在制造設備方面,海目星近期在投資者互動平臺表示,該公司是國內首家鋰金屬高能量密度固態電池的整線供應商,布局的固態電池核心設備,主要圍繞在電池結構和材料的革新方面。目前,該公司已經簽約2GWh的固態電池量產產線,后續訂單將會根據客戶需要推進。
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全新的負極材料
金屬鋰,是目前已知的能量密度最高的金屬材料。鋰金屬負極理論比容量達3860mAh/g,而且低電極電勢(3.04V),能夠兼容更高電壓的正極材料,比如富鋰錳基、高鎳、不含鋰的硫等,使固態電池實現更高的能量密度。
隨著全固態電池技術的突破,鋰金屬有望成為一種全新的負極材料被廣泛應用。不過,制造鋰金屬需要特殊的工藝,有一定的技術門檻。
“由于金屬鋰化學性質特別活潑,因此對制造、技術、裝備和環境要求特別高。”天鐵科技表示,安徽天鐵已配備高效電解、除雜與凈化、低溫蒸餾等先進技術與裝備集成,且產品設備均非標,可安全生產純度達99.97%-99.98%的電池級金屬鋰。
據盛新鋰能介紹,該公司在固態電池上游關鍵材料金屬鋰方面有業務布局,其金屬鋰規劃產能為年產3000噸,目前已建成產能500噸,超薄超寬鋰帶已實現批量生產;規劃新建的2500噸/年金屬鋰項目,已完成項目備案,項目建設即將啟動。
“固態電池的一種主要的發展趨勢,是將現有的硅碳負極改為全部由金屬鋰構成的負極,以增加電池能量密度。”天齊鋰業表示,該公司重慶銅梁生產基地目前擁有金屬鋰年產能600噸。如果未來該種固態電池技術得到普及,對金屬鋰的需求可能會增加。
鋰金屬負極,產業化市場空間確實非常廣闊。據業內機構測算,到2030年全球固態電池對鋰金屬負極的需求將達2.63萬噸(金屬量),折合13.96萬噸碳酸鋰當量,對應市場規模約184億元,對應未來幾年復合增長率有望超300%。鋰金屬的應用,也將對未來負極材料的市場格局產生重要影響。
