Nature Energy：固態電池用薄鋰金屬陽極的技術經濟評價

一、 【科學背景】 ??

由于鋰離子電池比石墨具有更高的比容量，因此與鋰離子電池相比，鋰金屬電池（lmb）具有更高的體積和重量能量密度。在液態下, 鋰枝晶沉積和電池短路的問題一直難以解決,而固體電解質(SEs)理論上可以抑制枝晶的形成,使金屬鋰電池能夠實現汽車行業期望的高倍率充放電和體積能量密度(1,000Whl^-1)。

要實現固態電池(SSB)的商業化,其生產成本必須比鋰離子電池(LIB)低。美國先進電池聯盟(USABC)對高性能電動汽車(EV)電池的目標成本為125美元/千瓦時。鋰固態電池的陰極生產成本預計與液態鋰離子電池不會有較大差異,因為陰極活性材料(CAMs)在液態和固態之間是可互換的。固態電解質(SEs)尚未最終確定,目前正在研究各種電解質和生產技術,但最具有價值的是地球上貯藏豐富的材料,因為這種材料在規模化生產時其成本不會成為SSB推廣的阻礙。

陽極生產方法已經在文獻中進行了討論，但它們的商業化能力和生產成本還有待進步。基準公司最近的一份固態和LMB報告得出結論，鋰金屬行業對LMB的廣泛發展準備不足，預計電池級鋰金屬供應將在2024年供不應求。

二、【創新成果】

近日，來自 牛津大學Mauro Pasta教授在Nature Energy期刊發表了題為“Techno-economic assessment of thin lithium metal anodes for solid-state batteries”的論文，該項研究討論了實現可用于超級工廠生產所需容量的薄膜鋰技術的可行性。作者確定熱蒸鍍是一種潛在的具有低成本高效益途徑,可用于解決現在所面臨的各種挑戰，并對使用該工藝制造薄而致密的鋰金屬箔相關的預期成本進行了技術經濟評估。最后,作者估算了使用熱蒸鍍鋰箔制成的固態電池組的成本。

圖1 固態電池中鋰金屬陽極厚度分析。?2024 Springer Nature Limited

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圖2 商業上最可行的鋰金屬陽極生產方法。?The Author(s) 2024

圖3 制造（1.2 m）和潛在（3.0 m） R2R沉積襯底寬度的比較。?The Author(s) 2024

圖4 生產成本的影響及不同生產成本的成本比例。?The Author(s) 2024

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圖5 純化鋰和電價對17μm鋰金屬陽極生產成本的綜合影響。?The Author(s) 2024

圖6 液態和固態電池的原材料和包裝成本。?The Author(s) 2024

?三、【科學啟迪】

該項成果表明制造~17μm鋰薄膜最有前途的技術是熱蒸鍍。技術經濟評估顯示，以西歐能源價格制造這種厚度的鋰金屬陽極的成本為每平方米4.30美元，相當于陽極成本為每千瓦時24.2美元（而傳統石墨陽極的成本約為每千瓦時12美元）。在能源和勞動力成本較低的國家進行制造，可以進一步降低成本。考慮到SE和陽極成本，電池組的成本為158美元每千瓦時，而液態電池的成本為126美元每千瓦時。雖然這顯示了制造固態電池的成本較高，但考慮到快速充電、高能量密度和提高安全性等諸多潛在好處，這個成本增加是合理的。

這項研究為固態電池的商業化提供了重要的經濟數據支持，并指出了降低成本和提高電池性能的潛在途徑，對推動固態電池技術的發展和應用具有重要意義。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01676-7