锂金属负极：固态电池能量密度突破的重要推手
思瀚产业研究院    2025-09-29

1、锂金属负极推动固态电池能量密度提升

负极方面，固态电池比传统锂电池更容易适配锂金属负极和硅碳负极，因为固态电解质由固态材料构成，具有较高的化学稳定性，对锂金属负极的锂枝晶的形成及硅的膨胀起抑制作用。

采用锂金属负极能量密度最高、接近400Wh/kg。正极均采用100微米的NCM811，4种不同电芯比较下，采用锂金属负极材料的固态电池能量密度最高。

2、锂金属负极对比传统负极的优势

由于传统石墨负极材料较低的理论比容量(372mAh/g )以及较高的电压平台，造成传统锂离子电池无法进一步突破其比能量瓶颈(260Wh/kg ) 。

因此需要探索具有高理论比容量和低电极电势的负极材料，从而在电池材料体系上使电池达到更高的比能量，由于锂金属具有高理论比容量(3860mAh/g )和低电极电势(−3.04V vs SHE (standard hydrogen electrode))等特点将锂金属负极匹配过渡金属氧化物正极(LMO)构成锂金属电池时，其比能量可以提升到约440Wh/kg。

在锂硫(Li-S)和锂氧(Li-O2)电池体系中，其比能量可以进一步分别达到~650和~950Wh/kg。高理论比容量给了锂金属负极更宽广的应用前景。

锂金属电池凭借锂金属负极极低的电化学还原电位和超过高的理论比容量，而被认为是最有潜力的下一代电池候选者，它有潜力将现有锂离子电池的能量密度提升一倍。金属锂是锂电池的理想负极材料，原因有三个：1）锂金属负极可提供最高的重力能量密度（单位质量可存储的能量）。2）通过将锂直接沉积在负极上，可大幅提高充电速率。3）有了合适的电解质，就可以设计出无负极结构电池，从而节省材料和制造成本，提高能量密度。

锂电负极材料正在经历从传统石墨向多元高能量密度体系的重大转型。除硅碳负极外，目前主流研发方向还包括锂金属负极、硬碳材料、自生成负极技术等，未来技术趋势将按应用场景分化发展。

与传统石墨负极相比，锂金属负极具有更高的理论比容量（3.86Ah/g）和较低的电化学电位，被认为是最具潜力的负极材料之一。锂金属负极的应用可以显著提升固态电池的能量密度，使其在电动汽车、储能系统等领域具有广阔的应用前景。除此以外，锂金属负极还有充放电效率高，在固态电池中安全性强的特点。

3、锂金属负极存在技术瓶颈

锂金属具有较高反应活性，容易与有机电解液反应生成Li2CO3、LiOH、 Li2O、Li3N、LiF等无机产物18和ROCO2Li、ROLi、RCOO2Li (R是烷基官能团)等有机产物。这些反应会导致锂金属和电解液的利用率降低，并会伴随着大量的气体产生，容易引发锂金属电池的安全隐患。此外，锂金属的高活性和其表面SEI的锂离子扩散能垒较高会促进锂枝晶的形成。如下图所示，正是锂金属的不均匀沉积和枝晶生长引发了以上提到的诸多问题。

4、硅碳负极：负极产业化的过渡选择

因为锂电池负极存在诸多技术瓶颈，硅基负极作为锂金属负极和石墨负极之间的过渡产物被诸多企业布局研发。

2025~2027:石墨/低硅负极硫化物全固态电池:以200~300Wh/kg为目标，攻克硫化物复合电解质，打通全固态电池技术链，三元正极和石墨/低硅负极基本不变,面向长寿命大倍率应用。

2027~2030:高硅负极硫化物全固态电池:以400Wh/kg和800Wh/L为目标，重点攻关高容量低膨胀长循环硅碳负极，优化高镍三元复合正极和硫化物复合电解质，面向下一代乘用车电池应用。

2030~2035:锂负极硫化物全固态电池:以500Wh/kg和1000Wh/L为目标，重点攻关锂负极、高电压高比容量正极。

硅碳负极采用纳米硅和石墨材料混合，通过降低硅基材料粒径至纳米级别，可以拥有较小的颗粒尺寸和更多的空隙，更容易缓冲硅在脱嵌锂离子过程中产生的应力和形变。此外，纳米颗粒可以缩短锂离子扩散距离，增加硅材料储锂能力。

硅碳负极生产工艺核心难点在于纳米硅粉的制备，常见的纳米硅的生产工艺有镁热还原法、硅烷热解法、放电等离子法和机械研磨法。国内纳米硅粉的制备主要以机械研磨法为主，美国、日本等国家的企业对纳米硅粉的研究起步较早，日本帝人，美国杜邦等企业均可以用等离子蒸发冷凝法进行纳米硅粉的制备，目前国内等离子体法进展较快的企业为博迁新材，目前已经处于中试阶段。

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