研究背景
固態鋰金屬電池（LMBs）是下一代高性能電池的代表，因其在體積能量密度和比能量密度上具有較鋰離子電池（LIBs）顯著優勢，尤其適用于電動汽車（EVs）等高能量需求領域。與傳統的鋰離子電池相比，固態鋰金屬電池采用鋰金屬作為負極材料，具備更高的能量密度，能夠實現1,000Wh l?1和500Wh kg?1的能量密度，且具有更優的重量和體積比。雖然固態電池相比液態電池能夠有效抑制鋰枝晶生長，避免短路等安全問題，但鋰金屬的非均勻沉積仍是固態鋰電池在充電過程中面臨的一大挑戰，導致活性鋰的損失和庫侖效率下降。此外，盡管零鋰過量配置在理論上較為理想，實際生產中仍需額外的鋰來補償損失，這對能量密度提出了更高要求，制約了固態電池的大規模應用。為了解決這一問題，牛津大學Mauro Pasta團隊在“Nature Energy”期刊上發表了題為“Techno-economic assessment of thin lithium metal anodes for solid-state batteries”的最新論文。他們通過設計和制備了一種新型的薄鋰金屬膜，顯著改善了鋰金屬沉積的均勻性，減少了鋰枝晶的形成，提高了電池的循環穩定性和庫侖效率。研究表明，利用熱蒸發技術制備的致密鋰金屬箔可以有效解決鋰金屬負極的厚度限制問題，為電動汽車等領域的高能量密度固態電池提供了可靠的技術路徑。該團隊的工作不僅通過實驗驗證了鋰金屬膜的高效性，還結合技術經濟評估，展示了其在大規模生產中的可行性，預計可以大幅降低生產成本，使固態鋰金屬電池能夠與傳統鋰離子電池競爭。通過該技術，固態電池的能量密度達到了目標值，為固態電池的商用化奠定了基礎。
研究亮點
（1）實驗首次探討了固態鋰金屬電池（LMBs）在提高能量密度方面的潛力，提出了通過優化鋰負極厚度來實現1000 Wh l?1的目標。通過理論分析，確定了鋰金屬負極的最大厚度，從而確保電池能夠達到所需的高體積能量密度。（2）實驗通過分析不同的鋰生產技術，提出熱蒸發法作為解決鋰薄膜制備問題的潛在成本效益方法。該方法能夠滿足大規模生產鋰金屬箔片的需求，解決了目前鋰金屬電池生產中的挑戰。實驗還進行了技術經濟評估，估算了熱蒸發鋰箔的生產成本，并討論了這一方法的經濟可行性。（3）實驗通過計算鋰負極厚度與電池能量密度之間的關系，發現過量鋰的使用雖然能解決庫侖效率問題，但會影響電池的能量密度，提出了限制鋰負極厚度的關鍵性作用。這一發現為未來固態鋰金屬電池的設計和優化提供了重要指導。（4）實驗分析了鋰金屬供應與市場需求之間的矛盾，指出鋰金屬行業尚未準備好滿足固態鋰金屬電池大規模生產的需求。實驗最后討論了為實現鋰金屬電池的工業化生產，需要解決的關鍵科學和技術問題，包括鋰金屬生產工藝、成本控制和大規模應用的挑戰。
圖文解讀
圖3:制造（1.2m）和潛在（3.0m）卷對卷roll-to-roll R2R薄膜沉積基底寬度比較。圖5:純化鋰和電價，對17μm鋰金屬陽極生產成本的綜合影響。圖6:熱蒸發鋰金屬陽極生產成本的全球技術經濟分析。
結論展望
本文的研究提供了對固態電池技術在鋰金屬負極制造中的應用和成本效益的深入分析。首先，計算結果表明，固態電池要實現1,000Wh l?1的能量密度，并在1,250次循環后保持75%的容量，需控制鋰過量在17μm以內，并保持高于99.929%的庫侖效率。這一發現強調了在高效能量儲存系統中，如何平衡鋰金屬負極的厚度與長期循環性能之間的關系。其次，熱蒸發技術被證明是制造均勻17μm鋰金屬薄膜的最有前景方法，相較于其他昂貴且低效的技術，其具備較高的經濟性。盡管固態電池的成本較液態電池有所上升，但其在快速充電、高能量密度和安全性方面的優勢使其成為未來高性能電池的有力競爭者。這為固態電池技術的工業化應用提供了新的方向，尤其是在降低生產成本和提高生產效率方面的潛力。因此，探索熱蒸發技術和優化鋰金屬負極的制造工藝，將為未來固態電池的廣泛應用奠定基礎。 Burton, M., Narayanan, S., Jagger, B. et al. Techno-economic assessment of thin lithium metal anodes for solid-state batteries. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01676-7
