1.1锂金属负极为负极长期迭代路线

负极材料直接影响电池容量、首效、循环等性能。负极材料系先由负极活性物质、粘合剂和添加剂混合制成糊状均匀涂抹在铜箔两侧，再经干燥、滚压形成。负极材料作为锂电池不可或缺的重要组成部分，直接影响锂电池的容量、首次效率、循环等主要性能，在动力电池成本中占比 一般 不超过 15% 。

不同于传统石墨脱锂 嵌锂 机制 锂金属负极主要通过 沉积 溶解 机制 储能 。 根据工作原理，可将锂二次电池负极材料分为脱 嵌型负极、转换型负极、合金型负极及锂金属负极。脱 嵌型负极是指锂离子可在结构中发生可逆的嵌入和脱出的材料，如石墨等转换型负极是指空间结构中不能提供锂离子脱 嵌位置，但可同锂发生转化反应的材料，如 MnO 2 、 CuO 等；合金型负极是指能和锂发生合金化反应的金属及其合金、中间相化合物及复合物， 包括硅 等轻金属 锂金属负极是指直接以锂金属单质作为负极，锂离子在锂金属表面进行电沉积 溶解。

具体工作原理：

充电过程

锂沉积 外部电源施加电压 正极材料 如过渡金属氧化物 发生氧化反应释放锂离子 LiLi⁺）。 LiLi⁺通过电解质迁移至负极表面 同时电子 ee⁻ 经外电路流向负极 。

反应式LiLi⁺ + e e⁻ Li 锂离子在负极表面得电子还原为金属锂原子 沉积形成锂层 ）。

放电过程锂溶解 锂金属负极中的锂原子失去电子 被氧化为 LiLi⁺进入电解质 电子经外电路流向正极供电。

反应式Li LiLi⁺ + e e⁻ 锂原子溶解为离子 ）。

锂金属负极拥有高比容量和低电化学电位，可实现更高的能量密度。传统的负极材料石墨的循环性能好，但理论容量低；而硅基负极理论容量超高，但充放电过程中体积变化过大。不同于摇椅式锂离子电池的负极材料，锂金属拥有超高的理论比容量（ 3.86Ah/g ），是石墨负极理论比容量（ 0.372Ah/g ）的 10 倍以上，同时具有较低的电化学电位（ 3.04Vvs.标准氢电极），因此被认为是最具潜力的负极材料之一。搭配过渡金属氧化物阴极，锂金属电池可以通过合适的电池体系设计达到 400Wh/kg 以上 的能量密度 。

硅碳负极能量密度提升有限，锂金属负极为长期迭代方向。根据25 年 2 月欧阳明高院士的发言，国内 2030 年前重点突破 500Wh/kg 以内电池，正负极方面三元正极不变，主要变负极。硅负极帮助电池能量密度达到 400Wh/kg 之前，随着自身克容量的增加，电池比容量几乎线性增加，而帮助电池能量密度达到 400Wh/kg 后，随着自身克容量的增长，电池比容量的边际增长明显缩小，而进一步突破能量密度上限仍需要依赖锂金属负极的应用。

低硅→高硅→锂金属，负极发展路径清晰。

根据欧阳明高院士，当前已行成已硫化物路线为主体的固态电池发展路线 ，根据正负极侧的迭代 具体的 roadmap 表现为石墨低硅负极硫化物全固态电池 (2025 2027): 以 200~300Wh/kg 为目标 攻克硫化物固态电解质 打通全固态电池的技术链 三元正极和石墨 低硅负极基本不变 向长寿命大倍率方向发展，

高硅负极硫化物全固态电池(2027 2030): 以 400Wh/kg 和 800Wh/L 为目标 重点攻关高容量硅碳负极 三元正极和硫化物固态电解质仍为主流材料体系 面向下一代乘用车电池。

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 逐步向复合电解质 主体电解质 补充电解质 、高电压高比容量正极发展 高镍、富锂、硫等 。

海外企业已有较多采用锂金属负极路线，

国内固态电池企业负极侧尚以硅碳路线居多 。海外日产、 LG 、 SK On 、 Solid Power 、 Factorial Energy 均采用锂金属负极路线，国内大多数企业仍采用硅碳负极， 宁德时代、 清陶 能源 、 上海屹锂 、恩力动力等采用锂金属负极。

今年初奔驰应用锂金属负极的全固态电池上车路测，为全球第一款路测的锂金属负极电池。

我们测算2030 年固态电池用锂金属约 7700 吨 ，市场百亿 。 根据 EVTank 2024 年全球固态电池出货量达到 5.3GWh ，同比大幅增长 4.3 倍，全部为半固态电池，主要为中国企业生产。 EV Tank 预计全固态电池将在 2027 年实现小规模量产，到 2030 年将实现较大规模的出货。《中国固态电池行业发展白皮书（ 2025 年）》预计到 2030 年全球固态电池出货量将达到 614.1GWh ，其中全固态的比例将接近 30% 。 我们假设 2030 年全固态电池出货 180GWh锂金属负极假设渗透率 20%20%，测算得 36GWh 。假设采用双面 2 0um 锂箔，合计 40um 厚度，1GWh 电池用量 1000 万平，结合锂的密度 534kg/m3 ，则对应 1GWh 电池用锂金属（不考虑铜箔）约 214 吨， 18GWh 对应用量约 7700 吨 ，假设 1 2 0 万元 吨，对应市场 92 亿元。

1.2技术发展的 痛点 在于 锂枝晶生长

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。锂金属的不均匀沉积和枝晶生长会引发以下主要问题

1)锂的无限体积膨胀 锂金属不同于石墨，硅等嵌入型或合金类负极，它是一种无基体转化型负极，石墨和硅的体积膨胀分别是 10% 和 400%400%，而锂负极体积膨胀是无限的，导致沉积锂的形貌结构呈现多孔疏松的状态。

2)死锂的产生 锂的无限体积膨胀和枝晶均会造成锂表面结构多孔疏松，经过多次充放电循环后，表面不稳定的锂会逐渐粉化并脱落下来从而失去电活性，从而产生大量死锂。

3)SEI破裂和副反应增加 锂枝晶的生长和死锂的产生会导致锂表面 SEI 破裂和重构，不断的重构 SEI 需要消耗额外的电解液，造成副反应增加。

4)极化电压增大 锂枝晶和死锂导致锂 金属表面多孔疏松， SEI 的比表面积和厚度均会随之增大，从而使 Li+ 的扩散路径增加，并且死锂会导致表面阻抗增加，这些因素都会造成锂金属电池在多次循环 后的极化电压显著增加。

5)电池短路 锂枝晶的不断生长会造成其对隔膜的应力增加，最终会刺穿隔膜导致电池短路，从而引发电池热失控等安全问题。

人工SEI 膜、改性集流体、引入固态电解质是主要的改善锂枝晶的手段。 改善锂负极的循环性能和安全性能 策略 主要包括： 1 ）利用表界面调控策略，构建人工固态电解质界面 SEI膜，引导锂的均匀沉积，缓解锂枝晶的危害； 2 ）通过改性集流体或锂基底结构，构建复合锂金属电极，从而促进锂的均匀沉积； 3 ）制备固态电解质或者准固态电解质，利用其力学性能抑制锂枝晶的生长及可能引发的短路问题等。

1） 构造人工 SEI 膜。

SEI膜反复破碎坍塌会造成电池失效。 在锂电池的充放电循环中，负极表面会被覆盖一层钝化层，称为 SEI 膜，而稳定的 SEI 膜影响着电池的安全性、高低温性能、倍率性能、循环寿命、容量保持率和锂沉积的形态 。 一般情况下， SEI 膜并不完全致密，且力学性能较差 在锂金属反复沉积和溶出过程中， SEI 膜很易破碎或坍塌，导致新鲜的锂金属与电解液继续反应，形成新的 SEI 膜。这个过程被称为 SEI 膜的动态重构。如果 SEI 膜的破碎和坍塌过于频繁或失效，会导致锂电池容量衰减、安全性降低甚至失效 因此构筑稳定且离子扩散性能优良的 SEI 膜对提高锂电池的循环性能具有重要意义。

人工SEI 膜为长期趋势。 对 SEI 膜的性能调控主要有两种途径实现 ：① 通过调节电解质添加剂的成分来调控形成的 SEI 膜的组分和结构； ② 构建人工 SEI 膜实现对锂金属的保护进一步提升锂负极的稳定性和倍率性能等。 前者的选择范围十分有限，因此人工 SEI 膜成

为长期趋势。

良好的人工SEI 膜应具有以下特点： ① 优异的离子导电性 保证 Li+ 快速通过； ② 较高的机械强度 保证在界面循环过程中不破裂； ③ 一定的弹性 缓解局部应力； ④ 在电解液中具有高化学稳定性。

未来技术难点在于 ：①均匀性 确保人工构建的 SEI 膜在整个锂金属表面形成均匀、一致的覆盖，避免不均匀覆盖引发的问题，如局部电压失衡和锂枝晶形成； ②多功能性： 设计具有多功能性的人工 SEI 膜，既能防止电极与电解液之间的不良反应，又能促进锂离子传导和抑制锂枝晶生长，还能阻燃隔热提高电池的安全性。通常来讲，由无机组分组成的薄膜对锂金属表现出优异的化学稳定性，但存在不连续和不均匀的缺陷 有机成分 SEI 膜多为聚合物等，聚合物相分布均匀，使 Li+ 导电通道分布均匀，但其弹性模量低、机械强度较差。人工 SEI 膜的制备可通过不同的制膜工艺实现，包括硬模板法、溅射法、化学气相沉积法、旋涂法、滴涂法等。

2） 构建锂复合结构。

通过合理的结构设计能够均匀化电流密度，促进锂均匀沉积从而缓解循环过程中产生锂枝晶的危害，主要方法包括：①复合锂多维结构修饰；②元素掺杂；③制备富锂合金负极。

——复合锂多维结构修饰：在复合锂负极的结构优化中，将电极结构中集流体设计成三维结构或者特殊的多维结构，可以缓解锂金属体积变化过大导致稳定性差的问题。传统锂金属负极是平面或者其他二维结构，在多次锂沉积和剥离过程中体积会有巨大变化，使锂金属负极的结构发生明显变化。三维结构或者特殊的负极结构设计能很好解决这一问题。

——亲锂元素掺杂：从复合锂负极的组分入手，通过亲锂性元素的掺杂、添加亲锂涂层等，可以有效促进锂成核位点的 均匀分布，从而提高复合锂负极的循环寿命。例如，引入亲锂元素 Ag 、 Au 、 Al 、 Mg 或 N 、 P 、 F 、 O 等，其在锂表面自发反应生成 Li3N 、 LiNxOy 、 LiF 等可降低锂成核的能垒，从而导致锂均匀沉积，明显了减少锂枝晶生成。

——合金类：由于锂金属的费米能级较低，富锂合金晶粒与 Li+ 结合能高，可以为均相锂沉积提供丰富的亲锂位点。锂合金负极构建可以改善电池的充放电动力学，提高充电和放电速率，适应快速充电和高功率应用；可减少锂枝晶形成，降低电池内部短路的风险，提高电池的安全性；最重要的锂合金负极适用于多种锂金属电池体系 ，具有较好的适应性。因此，直接制备富锂合金也是改善锂负极循环性能和倍率性能的主要方法之一。制备富锂合金的方法主要有高温熔融法、高能球磨法、机械合金法、化学合成等。

3） 引入固态电解质 。

利用固态电解质代替传统电解液是目前公认的解决锂枝晶问题最具前景的策略。对于与锂金属搭配的固态电池，通常要求固体电解质满足以下条件：高的离子电导率， 1 × 10 3S/cm以上，以及低的电子电导率， 1 × 10 9S/cm 以下，保证电化学反应的稳定性，避免电池极化或短路问题；宽的电化学窗口，对锂金属具有良好的化学稳定性，同时抗氧化能力强，并更好地匹配高电压正极材料；高的离子迁移数，尽可能达到；良好的热稳定性，便于在不同温度下使用；高的机械强度，同时具有一定韧性，方便加工；低综合利用成本，利于大规模量产并用于电池制造；从生产到使用中绿色无污染，对环境友好 。