Nature Energy：固态电池用薄锂金属阳极的技术经济评价

一、 【科学背景】   

由于锂离子电池比石墨具有更高的比容量，因此与锂离子电池相比，锂金属电池（lmb）具有更高的体积和重量能量密度。在液态下, 锂枝晶沉积和电池短路的问题一直难以解决,而固体电解质(SEs)理论上可以抑制枝晶的形成,使金属锂电池能够实现汽车行业期望的高倍率充放电和体积能量密度(1,000Whl^-1)。

要实现固态电池(SSB)的商业化,其生产成本必须比锂离子电池(LIB)低。美国先进电池联盟(USABC)对高性能电动汽车(EV)电池的目标成本为125美元/千瓦时。锂固态电池的阴极生产成本预计与液态锂离子电池不会有较大差异,因为阴极活性材料(CAMs)在液态和固态之间是可互换的。固态电解质(SEs)尚未最终确定,目前正在研究各种电解质和生产技术,但最具有价值的是地球上贮藏丰富的材料,因为这种材料在规模化生产时其成本不会成为SSB推广的阻碍。

阳极生产方法已经在文献中进行了讨论，但它们的商业化能力和生产成本还有待进步。基准公司最近的一份固态和LMB报告得出结论，锂金属行业对LMB的广泛发展准备不足，预计电池级锂金属供应将在2024年供不应求。

二、【创新成果】

近日，来自 牛津大学Mauro Pasta教授在Nature Energy期刊发表了题为“Techno-economic assessment of thin lithium metal anodes for solid-state batteries”的论文，该项研究讨论了实现可用于超级工厂生产所需容量的薄膜锂技术的可行性。作者确定热蒸镀是一种潜在的具有低成本高效益途径,可用于解决现在所面临的各种挑战，并对使用该工艺制造薄而致密的锂金属箔相关的预期成本进行了技术经济评估。最后,作者估算了使用热蒸镀锂箔制成的固态电池组的成本。

图1 固态电池中锂金属阳极厚度分析。©2024 Springer Nature Limited

图2 商业上最可行的锂金属阳极生产方法。©The Author(s) 2024

图3 制造（1.2 m）和潜在（3.0 m） R2R沉积衬底宽度的比较。©The Author(s) 2024

图4 生产成本的影响及不同生产成本的成本比例。©The Author(s) 2024

图5 纯化锂和电价对17µm锂金属阳极生产成本的综合影响。©The Author(s) 2024

图6 液态和固态电池的原材料和包装成本。©The Author(s) 2024

 三、【科学启迪】

该项成果表明制造~17µm锂薄膜最有前途的技术是热蒸镀。技术经济评估显示，以西欧能源价格制造这种厚度的锂金属阳极的成本为每平方米4.30美元，相当于阳极成本为每千瓦时24.2美元（而传统石墨阳极的成本约为每千瓦时12美元）。在能源和劳动力成本较低的国家进行制造，可以进一步降低成本。考虑到SE和阳极成本，电池组的成本为158美元每千瓦时，而液态电池的成本为126美元每千瓦时。虽然这显示了制造固态电池的成本较高，但考虑到快速充电、高能量密度和提高安全性等诸多潜在好处，这个成本增加是合理的。

这项研究为固态电池的商业化提供了重要的经济数据支持，并指出了降低成本和提高电池性能的潜在途径，对推动固态电池技术的发展和应用具有重要意义。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01676-7