锂金属作为负极材料现状

一个残酷事实就是，当前无论是从最基础的材料到反应界面，再到电池的理论研究和实验，以及更远处的规模产业化以应用，都还没有从根本上解决一些基础难题。

固态电池的研究始于上个世纪八十年代，相关技术从不成熟走向成熟，从实验室走向工厂，从工厂走向终端设备实现规模化应用和普及，动辄十几年甚至几十年已经过去了，注定这条路是漫长而艰苦的。

历史上，在实验室中开发出的很大比例的新技术，真正成功实现工业化的只属于少数。

一项新技术从实验走向应用，首先要在实验室中搞清楚其基本机理，继而确定可以用来放大工业化的技术路线，最后经过中试稳定过后实现规模量产。而大多数时候，一项新技术得以工业化的最基本前提就是“简单粗暴”，只有这样才能“易于理解”，只有易于理解才能最终落实给生产线上的作业人员，以标准化的工序放大生产。同时在生产过程中积累经验教训，在每一个环节中精益求精地改进，每一个细节都实现可控化，最终大规模生产出足够一致性和稳定性的产品。

而这期间，上游产业链如原材料、生产设备的配合更是必不可少。

这样看来，固态电池还处于第一个阶段，即还处于在实验室中进行最基本的机理研究，解决一些基本问题的阶段。

固态电池要想成功实现产业化，甚至作为动力电池被大规模应用上车，至少需要翻越四座大山，而这几座大山以目前技术水平来看，跨过的难度都是极大的。

第一座大山就是要不要用金属锂作为负极?

这个答案几乎是毋庸置疑的。因为如果不用金属锂负极的话，那么固态电池的实现将没有任何意义。根据中国科学院物理研究所李泓老师的研究，如果使用现有的正负极材料，由于固态电解质的真实密度显著高于液态电解质，为了获得较低的接触电阻，固态电解质体积占比一般会显著高于液态电解质电池，因此固态电池的能量密度必然低于液态电解质电池，而不是如新闻中宣称的会数倍于锂离子电池。

这说明如果不改变现有正负极体系，不用锂金属作为负极，只是单纯把液态电解质更换为固态电解质，是无法从根本上提升固态电池的能量密度的。因为固态电解质的使用，在提升能量密度上来说不仅相对于现有的三元正极+液态电解质+硅碳负极改变不大，甚至还拖了后腿。

负极如果使用了金属锂，不仅因为能够提供更多的锂离子而大幅提升整个电芯的能量密度，还能有效解决液态电解质中存在的锂枝晶穿刺隔膜，高温下与液态电解质发生持续副反应、锂的生长和析出导致的界面结构不稳定等问题。

所以说，采用锂金属作为负极材料是势在必行。那么你以为就是单纯的采用这么简单了?

用一个业内朋友的话讲，制造金属锂负极材料的工艺要求，高到变态。因为需要类比芯片制造的超净车间，所以需要全程在手套箱中进行。现实在实验室中，加工一小片试验用的锂金属片，往往一个研究人员在手套箱中操作即可，但你能想象一旦要实现规模化生产，在一个类似手套箱的车间中，几十米长的锂金属片像现在涂在铜箔上的石墨那样运行吗?

除了高到难以想象的大规模制造难度以外，更大的问题还在于制作过程的安全性。这一点，我们拿当前各大电池厂都在重点发展的补锂工艺作为参照说明一下问题。

为了补充锂电池负极在首次充电过程中不可逆的容量损失(锂离子数量变少)，电池厂希望通过补锂设备直接向负极极片喷涂金属锂粉或锂箔的方式进行补锂，以此达到提升首次库伦效率和电池容量的目的。

听着很简单，实际操作起来却极难。作为补锂原料的金属锂是高反应活性的碱金属，属于非常危险的物品，闹不好就会着火和爆炸。而从补锂方式说，撒锂粉面临的问题是锂粉比表面积很大，容易飘，有被人体吸入的风险;压锂带的难题是又压不了那么薄，会导致补锂过量，长期使用存在安全隐患。

除了生产和使用过程危险，补锂设备采购费用高以外，由于金属锂能够与水剧烈反应，所以对生产环境要求相当之苛刻，这就需要对生产车间和生产线进行改造。所以当前，没有足够经济实力和技术能力的电池厂轻易不敢碰补锂工艺。

有朋友向笔者透露过一个消息，即便是宁德时代，依然曾经在尝试补锂的小试中出了事故。

说了这么多，只是想说明一个道理：对于直接采用金属锂作为负极的方式来说，补锂工艺只能算是一个小case，只能算是金属锂负极材料的工艺技术和生产实践的折中方案和必经步骤而已，真正要规模制造和使用锂金属负极材料，难度要比补锂大太多太多。

这里插播一条小故事，实际上早在上个世纪60年代，国外就已经开始金属锂作为负极材料的研究。80年代，美国一家锂电池新星EoneMoli冉冉升起，其独家技术正是采用金属锂负极。时年最火的时候，意图布局电动汽车的福特公司都想投资这家公司并采用其锂电池作为汽车动力。之后Moli被日本的NEC和三井公司收购并制造了5万块手机电池，不料一年半之后这批电池大量失效，出现了严重质量问题。

此事造成了三大影响，一是日本公司当时决定永久放弃金属锂电池技术路线;二是当时给Moli公司做技术顾问的锂电大牛杰夫·达恩也彻底放弃金属锂体系;三是Moli公司被贱卖给一家台湾企业，至今只混在消费级电池领域(戴森的产品用的就是这家的电池)。