深入解析固态电池：技术、优势与未来展望

目前，传统液态锂电池的能量密度已接近350Wh/kg的理论极限，同时面临着电池热失控等安全隐患。随着新能源汽车市场的迅速扩大，对动力电池高能量密度与高安全性的迫切需求，推动了固态电池的研发与进步。

固态电池的发展可划分为半固态、准固态、全固态等阶段。尽管全固态电池因材料技术、制备技术的不成熟及生产成本高等问题，尚需时日才能实现产业化，但半固态电池已成为当前的一种理想过渡技术。

2023年，国内半固态电池出货量突破GWh级别，预示着2024年将迎来规模化量产装车的崭新阶段。展望未来，随着固态电池技术的持续进步和成本的逐步下降，尤其是国内半固态电池产业化的启动，固态电池市场将迎来快速增长。

接下来，我们将深入探讨固态电池的概念、工作原理及其相较于传统液态锂电池的显著优势。

2、固态电池的显著优势

固态电池以其高能量密度和高安全性脱颖而出，被视为下一代高性能锂电池的佼佼者。从性能对比的角度分析，固态电池在离子电导率、能量密度、耐高压、耐高温以及循环寿命等多个方面均超越了传统的液态电池。它成功融合了液态锂电池所无法同时具备的高能量密度与高安全特性，成为电动汽车等领域的理想之选。其优势主要体现在以下五个方面：

（1）卓越的安全性

液态锂电池面临热失控的风险，如过度充电、撞击、短路或泡水等因素都可能触发这一风险。当温度升至90°C时，负极表面的SEI膜会开始分解，嵌锂碳与电解液反应并产生热量和可燃气体，可能导致隔膜融化并形成内短路。随着温度进一步升至200°C以上，电解液的气化分解可能引发电池的剧烈燃烧甚至爆炸。

相比之下，固态电池凭借其五大安全特性在安全性上更胜一筹。首先，固态电解质的高机械强度能有效抑制锂枝晶的生长，从而降低短路的风险。其次，它不易燃烧或爆炸，确保了使用的安全性。此外，固态电池还避免了持续的界面副反应、电解液泄漏以及干涸等问题，同时在高温环境下也能保持稳定的性能或更佳。
（2）高能量密度

传统液态电池的能量密度已接近350Wh/kg的理论上限。然而，固态电池凭借其宽阔的电化学窗口，能够承受超过5V的高电压，从而拓宽了材料选择的范围。电池的能量密度正比于工作电压与比容量，但总体比容量受限于正负极中较低的一极。当前，固态电池中的石墨负极比容量为372mA•h/g，硅基负极的理论比容量高达4200mA•h/g，锂金属负极的理论比容量也达到3860mA•h/g，这些都显著超越了正极的比容量。因此，正极材料成为了进一步提升锂离子电池性能的主要障碍。但全固态电解质的出现，使得兼容高比容量负极与常规正极材料成为可能，同时还能与高比容量的正极材料相匹配，从而有望实现500Wh/kg甚至更高的能量密度。
（3）广泛的温度适用范围

相较于传统液态电池，固态电解质电池在温度适用性上展现出显著优势。由于固态电解质无低温凝固问题，且在高温状态下表现出色，其工作温度范围宽广，可达-40°C至150°C，远胜于液态电池。
（4）小巧的体积

传统液态电池中，隔膜和电解液占据了相当大的空间和质量。然而，在固态电池中，这些组件被固态电解质所取代，使得正负极之间的距离大大缩短，通常仅有几到十几个微米。这一创新设计显著降低了电池的厚度，从而在相同电量需求下，固态电池的体积更为紧凑。

3、固态电池的发展路径

随着液态电解质比例的逐渐降低，固态电池的发展可划分为半固态（5-10wt%）、准固态（0-5wt%）和全固态（0wt%）等不同阶段。值得注意的是，半固态和准固态电池中使用的电解质均为固液混合类型。

目前，全球范围内全固态电池尚处于研发和试制阶段。其产业化的主要挑战在于材料和制备技术的成熟度，以及相对较高的生产成本。专家预计，全固态电池的大规模商业化至少还需五年时间。

在此期间，半固态电池或许能成为一种有效的过渡技术。它结合了固液混合电解质的优势，电解液含量控制在5-10%之间，同时增加了涂覆固态电解质的应用。这使得半固态电池在电化学原理上与传统液态锂电池相似，从而能够充分利用现有的成熟制造工艺。此外，半固态电池在性能上也取得了显著提升，包括更好的安全性、能量密度、灵活性以及更长的循环寿命和工作温度范围。因此，半固态电池有望成为液态电池向全固态电池转型过程中的重要桥梁。事实上，2023年已有多家企业着手建设半固态电池的产能，预示着其即将进入商业化生产阶段。

4、固态电池的三大技术路线

固态电池领域存在三大主流技术路线：聚合物固态电池、氧化物固态电池以及硫化物固态电池。这些技术路线的核心区别在于所采用的固态电解质的不同。固态电解质主要可分为聚合物电解质、氧化物电解质和硫化物电解质。其中，聚合物电解质属于有机类，而氧化物和硫化物电解质则属于无机电解质。

理想状态下，固态电解质应具备高离子电导率、对锂金属的化学和电化学稳定性、能有效抑制锂枝晶的产生、制造成本低廉且无需使用稀有金属等特点。然而，当前这三大技术路线在满足这些要求上仍存在不同程度的挑战。总体来看，硫化物电解质在全固态电池的应用中展现出最大的发展潜力。

聚合物电解质以其易加工特性而闻名，与现有的电解液生产设备和工艺高度兼容，同时机械性能也相当出色。但它的缺点包括离子电导率较低，需要在较高温度下才能正常工作；化学稳定性不足，无法适应高电压正极材料，且在高温环境下存在燃烧风险；此外，其电化学窗口较窄，在电位差过大时（超过4V）电解质易被电解，从而限制了聚合物的性能上限。

氧化物电解质则以其出色的导电性和稳定性著称，其离子电导率高于聚合物，热稳定性高达1000℃，且机械和电化学稳定性均表现良好。然而，与硫化物相比，其离子电导率略显不足，这在一定程度上限制了氧化物固态电池的性能提升。此外，氧化物电解质的硬度较高，导致固态电池在界面接触方面存在问题，简单的室温冷压工艺难以满足电池的工作需求。
硫化物电解质在全固态电池中展现出最大的发展潜力，其离子电导率位居榜首，同时具备良好的机械性能和宽阔的电化学稳定窗口（超过5V）。然而，它也存在一些不足之处，包括界面稳定性问题，容易与正负极材料发生副反应，导致界面高阻抗和内阻增大。此外，在制备工艺上，硫化物固态电池的制造相对复杂，且硫化物与空气中的水、氧气反应可能产生剧毒的硫化氢气体。

聚合物电解质在技术成熟度和商业化应用方面发展迅速，已实现小规模量产。尽管如此，聚合物电解质仍存在电导率较低等缺点，限制了其性能上限，因此尚未能大面积推广。

氧化物电解质在性能上表现均衡，目前正取得较快进展。尽管其离子电导率不及硫化物电解质，但热稳定性和机械性能均表现良好。然而，如何保持氧化物电解质的高稳定性仍是一个待解决的问题。

综上所述，对固态电解质的关键技术进行突破，将有望推动整个行业的产业化进程。

02

产业化过程中的挑战与应对策略

1、技术层面的难题及应对措施

固态电解质的发展遭遇了三大核心科学难题：固态电解质的离子传输机理、锂金属负极的锂枝晶生长机制，以及多场耦合体系下的失控失效机理。这些问题的解决，对于新型固态电解质材料的创制、固态电池物理化学性能的优化，以及固态电池的整体发展而言，都是不可或缺的环节。
固态电池电解质面临性能平衡的挑战。从材料特性出发，无论是聚合物、氧化物还是硫化物，作为固态电解质都存在各自的不足。例如，聚合物电解质因其易加工和低生产难度而受到青睐，但离子电导率相对较低，从而影响了充放电性能。相比之下，氧化物和硫化物电解质虽然具有优异的电导率、安全性和机械强度，但制造难度和成本相对较高。
解决思路：融合多种材料优势的复合电解质。为了克服固态电池电解质的性能瓶颈，一种有效的解决思路是采用复合电解质，即将不同种类的材料结合使用。这种策略旨在充分利用每种材料的优势，以实现性能的全面提升。例如，聚合物/聚合物复合电解质不仅制备性更强，而且机械强度和离子电导率都有所提高。另一方面，聚合物/无机物（如氧化物或硫化物）的复合电解质则结合了聚合物的柔韧性与无机物的优异性能，从而实现了高强度、高柔性、高电导率和易制备等多重优势的综合。因此，复合固态电解质被视为固态电池电解质领域的重要发展方向。

然而，全固态电池仍面临充放电速度较慢和容量衰减较快的问题。离子电导率是影响全固态电池充放电速度的关键因素，而固态电解质中的离子输运性能受到体相和表界面输运过程的共同影响。与液态电解质相比，固态电解质中的离子间相互作用力更强，导致离子迁移能垒显著提高，进而离子电导率降低。

此外，尽管高机械强度的固态电解质在一定程度上能够抑制锂枝晶的生长，但锂金属的均匀沉积问题仍未得到完全解决。研究表明，具有高剪切模量的无机固态电解质也难以完全阻止锂枝晶在固态电解质中的渗透。因此，锂枝晶问题仍是阻碍全固态电池实际应用的关键挑战。

另外，固-固界面接触导致的稳定性降低也是电池失效的主要原因之一。在固态电池中，由于界面为固-固接触，电导率往往会受到电极与电解质界面处高接触电阻的严重影响。这种高阻抗不仅增加了过电位，还会导致容量衰减和能量密度降低。界面阻抗的主要来源包括固态电解质与负极的界面问题、与复合正极的界面问题以及复合正极内部正极活性物质与固态电解质之间的微观界面问题。
解决思路：从材料与工艺两个维度着手进行界面工程与改性。在材料维度上，选择体积变化小的Li合金作为负极，以缓解负极膨胀问题；同时，采用稳定性更高的固态电解质，减少界面副反应。对于复合正极，通过表面包覆（涂层）来减小界面应力，提高离子和电子传输效率。在工艺维度上，通过增大制备压力、消除孔隙、增强界面接触，或采用原位凝固技术注入液体并加热凝固，来改善固态电解质与电极之间的界面接触。
此外，固态电池在经济性方面仍面临挑战。由于固态电池原材料供应链及电池制造设备不完善，导致制造成本较高。同时，固态电池所需的电极材料都是高科技新材料，生产难度大且价格高昂。因此，需要科技进步和市场消化高昂价格来推动其广泛应用。目前，尽管已有少数固态电池商业化销售实例，但整体来看，固态电池的成本仍远高于传统的液态锂电池。
解决思路：以半固态电池为起点，逐步实现规模化生产以降低成本。鉴于半固态电池技术相对成熟，且更接近传统液态锂离子电池，其产业化有望带来固态电解质产能的提升、原材料成本的下降及工艺的优化。这些因素共同作用，将推动半固态电池的原材料与生产成本持续降低。