研究背景
固态锂金属电池（LMBs）是下一代高性能电池的代表，因其在体积能量密度和比能量密度上具有较锂离子电池（LIBs）显著优势，尤其适用于电动汽车（EVs）等高能量需求领域。与传统的锂离子电池相比，固态锂金属电池采用锂金属作为负极材料，具备更高的能量密度，能够实现1,000Wh l⁻¹和500Wh kg⁻¹的能量密度，且具有更优的重量和体积比。虽然固态电池相比液态电池能够有效抑制锂枝晶生长，避免短路等安全问题，但锂金属的非均匀沉积仍是固态锂电池在充电过程中面临的一大挑战，导致活性锂的损失和库仑效率下降。此外，尽管零锂过量配置在理论上较为理想，实际生产中仍需额外的锂来补偿损失，这对能量密度提出了更高要求，制约了固态电池的大规模应用。为了解决这一问题，牛津大学Mauro Pasta团队在“Nature Energy”期刊上发表了题为“Techno-economic assessment of thin lithium metal anodes for solid-state batteries”的最新论文。他们通过设计和制备了一种新型的薄锂金属膜，显著改善了锂金属沉积的均匀性，减少了锂枝晶的形成，提高了电池的循环稳定性和库仑效率。研究表明，利用热蒸发技术制备的致密锂金属箔可以有效解决锂金属负极的厚度限制问题，为电动汽车等领域的高能量密度固态电池提供了可靠的技术路径。该团队的工作不仅通过实验验证了锂金属膜的高效性，还结合技术经济评估，展示了其在大规模生产中的可行性，预计可以大幅降低生产成本，使固态锂金属电池能够与传统锂离子电池竞争。通过该技术，固态电池的能量密度达到了目标值，为固态电池的商用化奠定了基础。
研究亮点
（1）实验首次探讨了固态锂金属电池（LMBs）在提高能量密度方面的潜力，提出了通过优化锂负极厚度来实现1000 Wh l⁻¹的目标。通过理论分析，确定了锂金属负极的最大厚度，从而确保电池能够达到所需的高体积能量密度。（2）实验通过分析不同的锂生产技术，提出热蒸发法作为解决锂薄膜制备问题的潜在成本效益方法。该方法能够满足大规模生产锂金属箔片的需求，解决了目前锂金属电池生产中的挑战。实验还进行了技术经济评估，估算了热蒸发锂箔的生产成本，并讨论了这一方法的经济可行性。（3）实验通过计算锂负极厚度与电池能量密度之间的关系，发现过量锂的使用虽然能解决库仑效率问题，但会影响电池的能量密度，提出了限制锂负极厚度的关键性作用。这一发现为未来固态锂金属电池的设计和优化提供了重要指导。（4）实验分析了锂金属供应与市场需求之间的矛盾，指出锂金属行业尚未准备好满足固态锂金属电池大规模生产的需求。实验最后讨论了为实现锂金属电池的工业化生产，需要解决的关键科学和技术问题，包括锂金属生产工艺、成本控制和大规模应用的挑战。
图文解读
图3:制造（1.2m）和潜在（3.0m）卷对卷roll-to-roll R2R薄膜沉积基底宽度比较。图5:纯化锂和电价，对17µm锂金属阳极生产成本的综合影响。图6:热蒸发锂金属阳极生产成本的全球技术经济分析。
结论展望
本文的研究提供了对固态电池技术在锂金属负极制造中的应用和成本效益的深入分析。首先，计算结果表明，固态电池要实现1,000Wh l⁻¹的能量密度，并在1,250次循环后保持75%的容量，需控制锂过量在17µm以内，并保持高于99.929%的库仑效率。这一发现强调了在高效能量储存系统中，如何平衡锂金属负极的厚度与长期循环性能之间的关系。其次，热蒸发技术被证明是制造均匀17µm锂金属薄膜的最有前景方法，相较于其他昂贵且低效的技术，其具备较高的经济性。尽管固态电池的成本较液态电池有所上升，但其在快速充电、高能量密度和安全性方面的优势使其成为未来高性能电池的有力竞争者。这为固态电池技术的工业化应用提供了新的方向，尤其是在降低生产成本和提高生产效率方面的潜力。因此，探索热蒸发技术和优化锂金属负极的制造工艺，将为未来固态电池的广泛应用奠定基础。 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
