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固态电池作为一种新兴的能源存储技术，具有广阔的产业化前景。随着科技的不断进步，固态电池将会得到更广泛的市场化推广与应用，并成为未来能源存储领域的重要力量。
本文作者：《中国工业和信息化》副总编辑孟繁科。
人类最早使用的电池是圆柱体、有正负极的固态电池，通常称之为“干电池”，基本用于手电筒、收音机等小型电器，后来出现的纽扣电池可以归为同一类产品。但干电池的能量太小，无法驱动汽车等大质量设备。目前使用的动力电池在安全性、能量密度与使用寿命上，存在明显的弱点，尤其是潜力已被发挥到极致。
因此，固态电池因其高安全性、高能量密度，以及超长的使用寿命，成为了动力电池的未来发展方向。然而，由于固态电池在固态电解质的稳定性、电极材料的选择、制造工艺与成本、规模应用的安全可靠，以及规模化生产技术上面临着诸多困难，产业化发展还有一段艰难的路要走。
固态电池的发展现状
简单说，固态电池就是一种使用固体电极和固体电解质的电池。即，使用固体电极和固体电解质，代替液体或聚合物凝胶电解质中发现的锂离子或锂聚合物的电池。通常，固态物质相比于液态物质的能量较高、燃点较低，电池体系的能量密度和安全性得以提高，并可降低电极-电解质界面副反应，延长使用寿命。它不仅具有传统锂离子电池安全性高、比容量大、循环寿命长等优点，还能有效解决电动汽车续航里程短、充电时间长、低温性能差等问题。
固态电池主要由薄膜正负极材料与电解质组成。其核心是固态电解质（SSE），主要分为三个方向：聚合物、氧化物与硫化物。与传统锂电池相比具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发等特性。
◉ 聚合物方向：PEO固态聚合物、聚碳酸酯体系、聚丸氧基体系与聚合物锂单离子导体基体系，其主要提升空间在混合多种材料、更新材料等方面。
◉ 氧化物方向：主要包含薄膜型，非薄膜型，主要发展方向是掺杂同种异价元素。
◉ 硫化物方向：主要分为Thio-LiSIN型、LiGPS型与Li-aegyrodite型。
目前，固态电解质主要有两种制备方法：一种是将锂金属和聚合物材料混合后经高温烧结制成；另一种则是通过熔融盐直接合成。随着研究的不断深入，固态电池也开始朝多功能化、实用化的方向发展，如将液态电解质与无机电解质复合使用等。
固态电解质（SSE）是将液态电解质薄膜或固体聚合物电解质进行退火处理后的固态物质。其主要由电极材料、电解质、隔膜和聚合物粘结剂组成，在锂离子电池中主要起到正负极连接的作用。SSE包括有机和无机两大类，其中无机材料包括锂金属和锂硅酸盐等，有机材料包括聚合物和金属氧化物。近年来，无机SSE受到了广泛关注，主要原因是其具有很高的电导率、良好的化学稳定性、安全性及机械性能等。
无机SSE包括有机锂盐、硫酸盐和钠盐等。其中，锂盐因具有较高的离子电导率而受到广泛关注。目前，固态锂电池常用的电解质材料有聚合物、陶瓷、氧化物等。其中陶瓷电解质具有优良的离子电导率、机械性能和化学稳定性等优势；而聚合物电解质具有成本低廉、电化学窗口宽、耐高温等优点；氧化物电解质具有结构稳定、安全无毒等优点，但其电导率低。此外，还有一些新型材料，如过渡金属氧化物（TMOs）和聚合物电解质等，由于其具有较高的电导率和优异的循环性能而备受关注。
电极材料是固态电池中最重要的组成部分之一，决定了电池的容量、电压、能量密度等重要参数。目前，在固态电池中，研究最多的电极材料有金属锂（Li+）、锰（Mn2+）、硫（S）、聚合物（PP）等。固态电池的负极材料多采用金属锂或其氧化物，而正极材料则多采用含有锂的聚合物材料。
同时，固态电池电极-电解质界面处，存在大量副反应，包括电解质溶解、表面副反应、离子迁移等。为了提高固态电池的稳定性，研究者们采取了多种措施来改善电极-电解质界面的稳定性。
一方面可以通过提高固体电解质材料的离子电导率来降低界面副反应，另一方面可以通过制备多孔固体电解质材料来改善电极-电解质界面处的离子迁移。此外，通过调控界面结构也能有效地抑制电极-电解质界面处副反应发生。
目前，很多国际知名的科研机构和企业正在进行固态电池的研究与开发工作，包括中国的宁德时代、卫蓝新能源、清陶能源与赣锋锂业；日本的丰田汽车和松下电器、美国的特斯拉和苹果等。这些研究机构和企业试图通过改进固态电解质、电极材料和设计等，提高固态电池的性能。如去掉一个电极，这意味着使用更少的材料，同时也降低了成本。此外，科学家们用硫化物基固体电解质进行了无阳极全固态电池的实验。但要真正将其推向市场，还需要进行大量的工作。
虽然固态电池仍处于研发阶段，但一些企业已经开始商业化生产。例如，世界上第一块商用固态电池由美国企业Solid Power开发，已经开始在某款电动汽车上进行测试。
固态电池与传统锂电池的对比
固态电池与锂离子电池相比，固态电池具有许多优势。
一是锂离子电池在使用过程中需要充电和放电，而固态电池不需要这种操作，它可以使用固体电解质代替液态电解质，以减少对环境的污染。
二是锂离子电池的体积是其质量的3~4倍，而固态电池的体积要小得多。这意味着它可以在小型车辆中安装更大容量的电池，同样也意味着在相同空间内可以提供更大的能量。
三是锂离子电池通常需要较高的电压才能充电，而固态电池只需要5v~7v伏电压就能充电，充电更安全便捷。
四是锂离子电池是由碳材料制成，而固态电池则是由无机物组成，对环境更友好。
五是锂离子电池需要使用液体电解质，而固态电池使用固体电解质，安全性提升。
六是锂离子电池组需要更多的能量来存储电力，而固态电池组可以提供更多的能量存储。
七是锂离子电池组需要充电和放电过程来产生电化学反应，并将其转化为电能，而固态电池则不需要转化过程。
目前，传统锂离子电池的能量密度已达极限，而固态电池则具有更高能量密度。原因在于，传统锂离子电池的负极材料与电解液之间存在较大的接触面积，因此需要使用更多的电极材料和电解质才能提高性能。固态电解质可以提供更大的接触面积，从而减少电极材料和电解质之间的接触面积，这样做将使固态电池具有更高的能量密度。
固态电池可以在更大的温度范围内使用。当温度过高时，锂离子电池的液体电解质就会蒸发，导致电池容量降低。固态电解质则可以将热量转移到负极或正极，从而避免这种问题。此外，在高温下或在充电时，锂离子电池可能会导致某些安全问题，例如电池过热引起燃烧。锂离子电池在低温下工作时也可能会遇到问题，因为它们不具备在更低温度下工作的能力。总体上说，固态电池的工作温度为-20℃~100℃，因此不太容易受到外部环境的影响。
在所有电池技术中，固态电池技术被认为是最有前途的技术之一，因为它具有很高的能量密度。根据国际能源署（IEA）的数据，目前电动车的能量密度已接近500 Wh/kg。据报道，一些固态电池制造商正在探索将这种能量密度提高到1000 Wh/kg左右的方法。
一项新研究显示，固态电池可以在不增加锂离子电池质量的情况下提高其能量密度。与传统锂离子电池相比，这种固态电池的质量能量密度可提高40%以上。
固态电池与传统锂电池相比，在几个关键方面存在着优势。
◉ 一是安全性。固态电池使用固态电解质，相对于液态电解质的锂电池，具备更高的热稳定性和耐冲击性，能够有效减少电池热失控和爆炸的风险。
◉ 二是能量密度。固态电池采用固态电解质，其能够提供更高的离子导电性，从而实现更高的储能能力。这意味着固态电池可以提供更长的续航里程和更大的能量存储容量。
◉ 三是循环寿命。固态电解质不容易发生电解质溶解、金属锂生长等问题，可以有效延长电池的使用寿命。
◉ 四是温度适应性。由于固态电池使用了固态电解质，因此可以在更大的温度范围内工作，适应更极端的气候环境。
然而在短期内，传统锂电池仍然是主流能源存储技术，而固态电池则被认为是未来的发展方向。
固态电池的产业化难点
“固态电池”这一概念的提出已有10年时间，但直至2023年才开始在业界引起广泛关注。
2023年7月初，燃油车市场头部企业、一直并不看好新能源汽车的丰田与在液态锂离子电池市场节节败退的松下电池，宣称已可以生产固态电池。成本、重量、体积均实现减半，充电最多10分钟，续航就能达到1200km，同时称“量产时间在2027—2028年”。这一消息遭到宁德时代等一众动力电池企业的公开质疑。
据悉，就在丰田之前，卫蓝新能源已生产出“360Wh/kg锂电池电芯”。该电芯采用半固态电解液、硅碳复合负极材料、超高镍正极材料，单体能量密度达360Wh/kg，续航里程可达1000公里，但卫蓝并没有宣称这就是固态电池。
据中科院院士、清华大学教授欧阳明高预测，2025年是液态电池向固态电池过渡的关键期，而2030年应该是转向全固态电池发展的一个关键节点。在2030年前，液态电池及半固态电池等现有的锂电技术仍将占据市场绝对主导地位。也就是说，“全固态电池要实现产业化，并对市场格局产生重要影响，仍然需要10年左右的时间。”
蔚来总裁秦力洪曾说，半固态电池成本很高，一个电池包相当于一辆ET5（整车29.8万起）。这么高的价格难以被市场接受，是固态电池产业化必须解决的难题。
宁德时代董事长曾毓群曾表示：“固态电池有很多科学及技术的基础问题尚未解决，我们公司深耕10多年，仍然认为难以形成有技术可行性和市场竞争力的产品。”
针对丰田宣布可生产固态电池的说法，宁德时代首席科学家吴凯则表示，全固态电池目前还有些行业核心问题亟待解决。“如果丰田说今天可以量产全固态电池，我是持怀疑态度的，目前全行业谁都不具备量产全固态电池的能力。至于到2027年能否量产，作为技术人员，我也很难说得准确。”
简言之，目前全固态电池是实验室研究状态，量产和商业化还面临着诸多难题。
虽然与锂离子电池相比，固态电池的技术路线并不神秘，但却是目前最为昂贵、最难实现量产的技术之一。
固态电池的主要技术难点在于电极材料和电解质材料。据了解，目前商业化的固态电池主要采用聚合物电解质，如锂离子聚合物电池中使用的液体电解质，包括 LiNi0.5 Co0.5O2和Li2O1.5 Ni1.5 Co1.5O2。实际上，全球知名企业均已布局固态电池的产业化。
在国内，比亚迪、宁德时代等企业纷纷开始布局固态电池。比亚迪以磷酸铁锂为正极材料、高镍三元为负极材料的全固态电池于2023年8月正式量产；宁德时代则通过与韩国 LG化学合作的方式，在固态电池技术方面取得了重大突破。
在国际上，美国特斯拉正在与福特合作开发一种固态电池，将使用液态锂离子电池作为其车载动力系统；日本松下公司则是与丰田汽车公司合作，在研发固态电池方面进行了长期的技术积累。
固态电池在安全性方面与现有的液态锂离子电池相比，主要存在如下问题：一方面，由于固态电解质是半绝缘体，在充放电过程中不会产生电化学反应；另一方面，固态电解质在生产和使用过程中存在缺陷，容易发生断裂、分解等现象。但总体安全性上仍高于液态锂离子电池。
固态电池的可靠性主要体现在以下几个方面：一是不存在液态电解质与隔膜之间的化学反应；二是不存在液态电解质与负极之间的化学反应；三是不会发生电解液和负极之间的化学反应。
尽管固态电池在安全性与可靠性方面优于传统锂离子电池，但其成本较高、制备工艺复杂，是其目前产业化的难题。
固态电池的高成本问题源于所用电极材料——氧化物、硫化物和聚合物等。氧化物正极材料主要是由氧化铝、氧化钛等无机材料制成；硫化物正极材料则是由硫、硫化物及聚合物构成；而聚合物正极则是由聚碳酸酯、纤维素等多种高分子化合物组成。固态电池所需的电极材料都是高科技新材料，目前价格昂贵，不仅需要科技进步降低生产难度，也需要时间由市场消化高昂的价格。此外，由于固态电池的负极采用的是聚合物电解质，成本也会有所提高。
并不是用上某种材料就能出现性能的大幅提高，仅在材料系统，做出微小的改变，也需要其他材料以及结构适配，怎么找到最好的配合系列，要经过千百次的试验才行。
从工艺上来说，并不是替换液态电解质那么简单。由于固态电池在固态电解质和电极两个层面都有材料，因此其生产工艺与液态电池有很大不同。虽然固态电池的生产工艺已经相对成熟，但由于是全新的体系，其生产工艺与传统电池的生产工艺仍然存在一定差异。
现阶段，固态电池主要通过薄膜沉积法、涂布法或熔融共混等方法进行制备。在薄膜沉积法中，通过调整沉积时间和沉积温度，可以获得厚度可控、均匀性好的固态电解质薄膜；在涂布法中，可将固态电解质与电解质薄膜复合在一起进行涂布；在熔融共混法中，将固体电解质与固体电解质膜进行熔融共混后涂布。
同时，需要对固态电池进行组装和封装。目前，固态电池主要采用软包、圆柱和方形三种形态。其中，软包电池已经在部分车型中得到应用；圆柱电池的尺寸越来越小，能量密度也越来越高；方形电池尺寸更加小巧，但其能量密度相对较低。
固态电池由于其成本高昂，并面临氢燃料电池的发展竞争，已限制了其发展潜力。宁德时代已开始钠离子电池实验，原因也在于钠离子电池具有更高的可用性，生产也可持续。固态电池的成本高于锂电池是不争的事实。
总结起来说，固态电池产业化难题主要在以下几方面。
◉ 一是固态电解质的稳定性。固态电池的核心是固态电解质，该电解质必须具备高离子导电性和良好的稳定性。然而，目前的固态电解质材料仍存在高温或高电压环境下容易分解、电解质与电极界面的相互作用等难题。这些问题限制了固态电池的循环寿命和安全性能。
◉ 二是电极材料的选用和匹配。固态电解质与电极材料之间的界面特性对电池性能具有重要影响，因此需要寻找匹配良好、与固态电解质相容性较好的电极材料。
◉ 三是电池制造工艺与成本。固态电池的制造工艺相对复杂，需要控制高温下材料的合成和组装过程。此外，由于固态电池材料相对较新且生产规模较小、成本较高，需要进一步降低成本才能实现产业化。
◉ 四是安全性和可靠性。固态电池的高安全性是其优势之一，然而在大规模应用中，需要确保电池能够在各种条件下稳定工作。特别是在高温或高电流的情况下，需要解决电解质不稳定、电极材料脱落等问题，确保固态电池的安全性和可靠性。
◉ 五是规模化生产技术。如何将固态电池的研发成果转化为大规模的生产技术也是一个挑战。需要发展高效的制造工艺，提高生产效率和降低成本，并建立可靠的供应链体系。
固态电池未来产业化前景展望
近日，特斯拉 CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）表示，特斯拉在研发固态电池方面取得了重大进展。在此前后，中国科学院上海硅酸盐研究所和中国科学院金属研究所，在固态电池材料和器件方面也取得了突破性进展，并将于近期开展固态电池的相关实验研究。
在固态电池方面，美国相关研究集中于聚合物电解质和固态电解质的性能提升上；德国主要聚焦于固态电解质中的离子导电率及稳定性研究；中国主要集中于固态电解质中锂离子电导率及界面稳定性研究。
随着技术不断成熟，固态电池将在新能源汽车、储能、消费电子等领域发挥重要作用，为实现从汽车大国向汽车强国转变提供重要支撑。
当然，固态电池作为一种新兴的能源存储技术，在未来产业化方面具有广阔前景，并不仅仅局限在新能源汽车领域。
一是电动汽车领域应用。电动汽车是固态电池在未来的主要应用领域之一。固态电池具有高能量密度、长循环寿命和高安全性等优势，可以提高电动汽车的续航里程和充电速度，并降低电池的故障和火灾风险。随着电动汽车市场的快速增长，固态电池有望成为主流的电动汽车能源存储解决方案。
二是移动设备和可穿戴设备。固态电池也具有在移动设备和可穿戴设备领域的广泛应用前景。固态电池相比传统锂电池具有更高的能量密度和更长的循环寿命，可以延长移动设备和可穿戴设备的使用时间，并提供更稳定的电源供应。
三是能源存储系统。固态电池可以应用于能源存储系统，支持可再生能源的储能和分发，在电网储能和家庭能源存储等应用中具有潜力。
四是航空航天领域。固态电池在航空航天领域也具有广阔的应用前景，可以满足航空航天领域对于高性能电池的需求。
2023年7月15日，日本东京工业大学特聘教授菅野了次等人组成的研究团队发布消息，通过重新开发基础材料、重新研究制造工艺等方式，成功提高了全固态电池的快速充电性能和容量。快速充电性能指标与之前相比最多可提高3.8倍，正极容量按单位电极面积计算可提高1.8倍。
固态电池产业化大幕已经开启，谁能率先商业化应用，谁将占领产业制高点，让我们拭目以待。
总之，固态电池作为一种新兴的能源存储技术具有广阔的产业化前景。随着科技的不断进步，固态电池将会得到更广泛的市场化推广与应用，并成为未来能源存储领域的重要力量。
编辑：黄飞
工商网监
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