7月7日，2021中国国际锂电产业大会（简称金砖锂电论坛）在上海汽车会展中心顺利召开。本届

金砖锂电会议为期两天，主题为以“新技术、新应用、新发展”为主题，采用“会议论坛+展览展示+体

验营销”三位一体的创新模式，多项重点活动同期同地举办，充分协同联动，品牌效应和影响力大幅

提升。
 

深圳新宙邦科技股份有限公司研究院新产品开发主任-刘中波出席论坛并发表主题演讲——《新型

锂金属复合负极的研究》。

以下为演讲实录：

在这个报告当中，我们向大家介绍一种自组织核壳结构的复合负极，这种复合负极在提高SEI稳

定性和电池性能方面有比较好的优势。

    一、研究背景

    在碳中和的大背景下，新能源汽车的发展是中国乃至全世界的界定方针，刚刚秘书长也有讲，

可能到2025年整个行业的产能到500，甚至600GWh，2021年新能源汽车的产销量环比2020年增长

30%以上。这样快速增长的市场需要我们更好的解决消费者的忧虑。总体的结果表明里程和安全是消

费者最关注的两点。

    其实现在锂离子电池经过这么多年的发展，在结构创新上，包括材料、辅材的设计上，已经接

近它的极限，进一步提升能量密度的话，从材料角度可能是更容易实现的方式。在所有的负极当中，

金属锂以3600毫安时每克的最终选择，也是近年来大家研究很多的负极材料。

    但是我们回头来看，其实金属锂作为电池的负极不是新鲜的事情。1975年Moli公司就制定了金

属锂可充电电池，但是后来发生了一些事故，导致Moli公司破产。基于这样的事故，金属锂负极的研

究基本处于停滞状态。1990年***款这样的负极，经历了快速增长的几十年，大家在材料和设计方面

达到极限密度以后，大家的目光进一步标准了金属锂。但是这次整个行业界对金属锂的应用会比较谨

慎，需要更好的认知和解决它的一些应用问题。

    从我们的角度来看，金属锂负极应用需要解决两个关键问题。

    1.金属锂在成晶过程中会有选择性的生。

    2.金属锂有比较高的反应活性，与电池器件之间的稳定性需要我们解决。

    这两个问题不解决，不管是安全还是寿命，都会受到影响。基于上面的两个问题，我们提出了

一个解决方案。

    二、自组织核壳结构的液态金属/锂复合负极

    将液态金属涂覆在隔膜上，这种涂覆方式可以实现比较大规模的制备，这种涂覆也是比较均匀

的。这样的液态金属在***次预锂化的时候会发生神奇的变化。这是***次给的是预锂化的变化曲

线，首先会发生锂层级和液态金属形成的合金化。液态金属进一步层积的时候，液态金属会形成分

向，会内部形成核，这种核会诱导金属锂在我核的位置开始三维成长，这样完美解决了锂的生长问

题。

    进一步介绍它的机理之前，先介绍一下什么是液态金属。液态金属指的是在常温属于液态合

金，通常来说含有钾元素，这三种元素均匀分散在液态金属当中。但是当我们对这个液态金属进行预

锂化过程中可以发现，随着锂的不断嵌入，中间会形成一些核，并且随着嵌锂量不断增加，这些核会

不断增加。我们通过FIB，我们对负极进行切片以后，发现这个负极有核壳结构。最上层是金属锂与

液态金属的合金，中间层存在金属锂。我们对嵌锂以后的复合负极做元素扫描的时候会发现，钾均匀

分散在复合负极中，但是铟和锡已经从整个体系当中呈一个独立的核结构。这跟钾、铟、锡与三种元

素与锂的结合不同有关。

    三、液态金属/锂复合负极的储锂机制

    我们做了一系列的原位表征，坐下角是原位的XRD，做了从充电到放电的过程，在嵌锂过程中

存在金属锂，也存在锂与钾的合金，也存在锂与铟的合金。这个充放电过程可以循环、可以重复。我

们又通过TEM之间的操作制备了原位电池。在40秒钟的过程中，清晰观察到了液态金属分向和金属锂

在分向的铟锡合金当中沉积的过程。通过ELS（音）对小的动态金属进行分布解析可以看到，沉积以

后的复合负极是三层核壳结构，内部是铟锡合金，外部是我们承接的金属锂，最外层则是锂与钾的

壳。这样三层的核壳结构就充分保证了我们在拖嵌锂的过程中，不会形成枝晶。

    我们也对负极的稳定性做了对称电池表征。在对称电池过程中有两个关键因素，***个是电流

密度，第二个是沉积的锂的量。黄色的是用锂铜作参比，随着电流密度的增加以及沉积量的增加，锂

铜的衰减是非常快的。我们这样一种复合负极，电流密度从0.5毫安时每平方厘米提升到1毫安时每平

方米，在一千多周的循环过程中，整个负极没有表现出明显失效，并且SEM表示出比较好的负极形貌

稳定性。

    基于这样的考虑，我们进一步对复合负极的离子电导和电子电导做了测试，在循环过程中测试

了它的负极离子电导，可以发现这样复合的负极本身就有-3次方的离子电导。同时因为它是一个液态

金属，它有金属特性，所以我们整个负极有比较高的电子电导和离子电导。基于这样的考虑，我们进

行了模拟计算。在传统的体系当中，一旦金属锂突破了SEI保护之后，就像一根针一样长出去了。我

们这种体系下，因为本身有成核，而且体系上的离子电导和电子电导都很高的时候，会形成三维生

长。

    在铜表面如果沉积锂的话，在60分钟的实践过程中，整个铜的表面完全是由枝晶形成的锂的模

式，而我们这样一种复合负极在沉积60分钟以后，除了厚度的增长以外，没有观察到一点枝晶的存

在。

    表明我们这种复合体系确实可以有效解决锂的选择性生长问题。进一步还需要解决一个问题，

因为锂本身活性很高，充放电过程中它的体积变化也比较大。如果SEI不够稳定的时候，我们的负极

会与电解液发生反应。我们对SEI进行了分析，方法就是通过压离子轰击以后，再进行SPS，相当于

对负极进行层状元素解析，最底下的红线，大概50纳米之前的时刻，主要组成就是钾酸锂和氟化锂的

相。而体相当中，钾和锂、锂跟锡的合金。我们这个体系中，SEI以氟化锂和加酸锂形成。我们做了

循环稳定性的表征，下面是锂铜的SEI，仅仅100周的循环，就已经显示了大量碳氟的风，碳氟的风可

以理解为是金属锂与电解液反应以后新生成的反应产物是碳氟风。而这样一种复合负极100周循环以

后，还是以孵化锂为主，形成碳氟风是非常少的。在这样充放电的体积变化过程中，SEI保持了稳定

性。

    解决了上面两点以后，我们认为这样的负极应该有比较好的电池性能。因此，我们制备了一个

全电池，基于622的全电池，正极面载再与我们商用比较接近。这样的全电池功率密度要比锂铜的好

一些，也是基于前面提到的，整个负极的电子电导和离子电导都要更好。同时，全电池的循环特性在

0.5C，大概在一点几毫安时平方厘米的电流密度下，大概在600多循环左右，还可以保持百分之六十

几的容量保持率，这在金属锂的领域中也是比较好的结果。

    基于这样的考虑，我们也进行了能量密度的估算。当然，我们这里面把包材外面的辅材去掉，

相当于极限的能量密度。在这样的体系当中，其实可以去掉铜的集流体，在这样的体系下大概达到

438Wh/Kg。

    但是在金属锂负极体系中，我们很多时候都很明白，锂的富余量其实决定了这个电池能跑多久

的关键因素。在这样的情况下，我们还进行了NP比的计算，以及不同NP比的电池测试。

    我们做了三个NP比。2.8过量的金属锂以及完全没有金属锂，即使是中间这样红色的，没有完

全额外补锂的情况下。80圈循环的时候，电池容量还可以保持在95%，这是非常高的数值。如果是它

的负极过量比在5.8左右的话，500周还有75%的容量保持率。在某些应用场景已经可以实际使用了。

    在这样的情况下，除了622以外，我们还进行了其他电池体系的测试，包括磷酸铁锂电池、锂

硫电池，甚至811电池，我们都做了测试。不同电池体系当中的复合负极均保持了很好的稳定性，而

对于811高能量密度正极情况下，电池体系表现出的极限能量密度大概在500Wh/Kg以上。如果我们最

后能解决金属锂前面提到的问题的话，其实在提升能量密度方面是非常有效果的。

    四、结论

    首先，以液态金属与锂复合的方式制备了自组织核壳结构的复合负极，这种复合负极与他自发

形成的核壳结构，有效抑制了金属锂的选择性生长问题。同时，这样的复合负极SEI表现出了很好的

稳定性。希望我们的工作能够给金属锂负极应用提供一些建议和参考，我们的报告就到这里，谢谢大

家！

（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅，仅作为参考资料，请勿转载！）    

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