固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池，固態(tài)鋰電池技術(shù)采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì)，取代以往鋰電池的電解液，大大提升鋰電池的能量密度。據(jù)SNE Researchd的測(cè)算，2025年我國(guó)固態(tài)電池市場(chǎng)空間有望達(dá)30億元，2030年有望達(dá)到200億元。

今年以來(lái)，輝能科技、太藍(lán)新能源、衛(wèi)藍(lán)新能源、Solitor、高能時(shí)代、Factorial Energy、恩力動(dòng)力、SES等國(guó)內(nèi)外多家固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)接連獲得資本青睞。投資方包括華為、小米、寧德時(shí)代、欣旺達(dá)、梅賽德斯-奔馳、本田汽車、吉利控股、上汽集團(tuán)、通用汽車、現(xiàn)代汽車、起亞等，陣容相當(dāng)豪華。可以看到，固態(tài)電池已經(jīng)成為各大汽車廠商爭(zhēng)奪未來(lái)純電動(dòng)車話語(yǔ)權(quán)的核心技術(shù)。

1、固態(tài)電池的原理

傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池又被科學(xué)家們形象地稱為“搖椅式電池”，搖椅的兩端為電池的正負(fù)兩極，中間為電解質(zhì)（液態(tài)）。而鋰離子就像優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員，在搖椅的兩端來(lái)回奔跑，在鋰離子從正極到負(fù)極再到正極的運(yùn)動(dòng)過程中，電池的充放電過程便完成了。

固態(tài)電池的原理與之相同，只不過其電解質(zhì)為固態(tài)，具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進(jìn)而提升電池容量。因此，同樣的電量，固態(tài)電池體積將變得更小。不僅如此，固態(tài)電池中由于沒有電解液，封存將會(huì)變得更加容易，在汽車等大型設(shè)備上使用時(shí)，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等，不僅節(jié)約了成本，還能有效減輕重量。

固態(tài)電池內(nèi)部沒有沉重的液態(tài)電解質(zhì)，而是玻璃、陶瓷或其他材料形式的固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電池的整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋰離子電池相似，充放電方式也大同小異，但因?yàn)闆]有液體，所以電池內(nèi)部更緊密，體積更小，能量密度增加。若將電動(dòng)汽車內(nèi)的鋰離子電池改用同樣體積的固態(tài)電池取代，電容量理論上可以提升2倍以上。

2、固態(tài)電池原材料

全固態(tài)鋰電池是相對(duì)液態(tài)鋰電池而言，是指結(jié)構(gòu)中不含液體，所有材料都以固態(tài)形式存在的儲(chǔ)能器件。具體來(lái)說(shuō)，它由正極材料+負(fù)極材料和電解質(zhì)組成，而液態(tài)鋰電池則由正極材料+負(fù)極材料+電解液和隔膜組成。

正極材料主要有LiCoO2、尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4、橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等三元材料，以及富鋰層狀結(jié)構(gòu)的Li2MnO3·LiMO2（M=Ni、Co、Mn等過渡金屬）。

負(fù)極是在電池充電過程中發(fā)生鋰化的地方，主要有石墨、金屬鋰及其合金、硅基和錫基材料、金屬氧化物等。主要由薄膜負(fù)極，薄膜正極和固態(tài)電解質(zhì)組成。薄膜物質(zhì)可以有多種選擇材質(zhì)。薄膜負(fù)極薄膜負(fù)極材料主要分為鋰金屬及金屬化合物，氮化物和氧化物。金屬鋰是最具代表性的薄膜負(fù)極材料。

固態(tài)電解質(zhì)在全固態(tài)鋰離子電池中起到傳輸鋰離子的作用。固態(tài)電解質(zhì)可分為有機(jī)聚合物電解質(zhì)和無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，前者包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)和凝膠聚合物電解質(zhì)，后者包括氧化物基固態(tài)電解質(zhì)和硫化物基固態(tài)電解質(zhì)。

①氧化物電解質(zhì)粉體：以石榴石型固態(tài)電解質(zhì)Li7La3Zr2O12粉體為例：傳統(tǒng)的制備LLZO方法主要為固相法和溶膠–凝膠法。固相法得到的LLZO室溫離子電導(dǎo)率較高，而溶膠–凝膠法易于得到納米級(jí)LLZO粉體。采用場(chǎng)輔助燒結(jié)或氧氣氛燒結(jié)也可以得到性能較好的LLZO粉體。此外，LLZO對(duì)空氣有較好的穩(wěn)定性，不與金屬鋰反應(yīng)，燒結(jié)體具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度，有望成為全固態(tài)鋰電池理想的固態(tài)電解質(zhì)材料。

②硫化物電解質(zhì)粉體：在機(jī)械壓力下晶界接觸良好、離子電導(dǎo)率高，因此使用硫化物電解質(zhì)的全固態(tài)鋰離子電池可以在常溫下通過簡(jiǎn)單的機(jī)械壓力法獲得。電池的復(fù)合正極層由正極材料、硫化物固態(tài)電解質(zhì)和導(dǎo)電碳顆粒復(fù)合而成。正極層、固態(tài)電解質(zhì)層和金屬負(fù)極層依次放入模具中，通過在正負(fù)極兩端施加機(jī)械壓力完成全固態(tài)電池的制備。

全固態(tài)電池中的核心材料——固態(tài)電解質(zhì)以及正負(fù)極材料絕大多數(shù)都是粉體形態(tài)；為提高材料導(dǎo)電性和離子電導(dǎo)率而添加的各種導(dǎo)電劑、無(wú)機(jī)填料等也都是粉體。同時(shí)，各種電解質(zhì)、電極以及導(dǎo)電劑、填料等粉體材料通過復(fù)合來(lái)提升固態(tài)電池的性能。此外，正極前驅(qū)體、新型金屬鋰負(fù)極、包覆改性用材料等大多也都是粉體。

3、固態(tài)電池優(yōu)劣勢(shì)分析

優(yōu)勢(shì)一：輕——能量密度高

使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會(huì)發(fā)生改變，其中核心的一點(diǎn)就是可以不必使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來(lái)做負(fù)極，這樣可以明顯減輕負(fù)極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高。

優(yōu)勢(shì)二：薄——體積小

傳統(tǒng)鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來(lái)占據(jù)了電池中近40%的體積和25%的質(zhì)量。而如果把它們用固態(tài)電解質(zhì)取代（主要有有機(jī)和無(wú)機(jī)陶瓷材料兩個(gè)體系），正負(fù)極之間的距離（傳統(tǒng)上由隔膜電解液填充，現(xiàn)在由固態(tài)電解質(zhì)填充）可以縮短到甚至只有幾到十幾個(gè)微米，這樣電池的厚度就能大大地降低——因此全固態(tài)電池技術(shù)是電池小型化，薄膜化的必經(jīng)之路。

優(yōu)勢(shì)三：柔性化的前景

即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級(jí)以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會(huì)變得有柔性。相應(yīng)的，全固態(tài)電池在輕薄化后柔性程度也會(huì)有明顯的提高，通過使用適當(dāng)?shù)姆庋b材料（不能是剛性的外殼），制成的電池可以經(jīng)受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。

優(yōu)勢(shì)四：更安全

傳統(tǒng)鋰電池可能發(fā)生以下危險(xiǎn)：(1) 在大電流下工作有可能出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導(dǎo)致短路破壞 (2)電解液為有機(jī)液體，在高溫下發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會(huì)加劇。采用全固態(tài)電池技術(shù)，以上兩點(diǎn)問題就可以直接得到解決。

固態(tài)電池總結(jié)有4大優(yōu)點(diǎn)：能量密度高、充電速度快、壽命較長(zhǎng)、熱穩(wěn)定性佳。

固態(tài)電池的劣勢(shì)：

1、界面阻抗過大。

固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間的界面是固--固狀態(tài)，因此電極與電解質(zhì)之間的有效接觸較弱，離子在固體物質(zhì)中傳輸動(dòng)力學(xué)低。

2、成本相對(duì)較高。

據(jù)了解，液態(tài)鋰電池的成本大約在200-300美元/KWh，如果使用現(xiàn)有技術(shù)制造足以為智能手機(jī)供電的固態(tài)電池，其成本會(huì)達(dá)到1.5萬(wàn)美元，而足以為汽車供電的固態(tài)電池成本更是達(dá)到令人咋舌的9000萬(wàn)美元。

固態(tài)鋰電池有3大問題：膨脹、收縮影響結(jié)構(gòu)、晶枝造成結(jié)構(gòu)破壞、成本高昂，不易量產(chǎn)。固態(tài)電池的內(nèi)部構(gòu)造緊密，容易受到熱脹冷縮的影響，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)；晶枝的問題也沒有被解決，電池結(jié)構(gòu)可能會(huì)被破壞。

4、傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池的不足

液態(tài)電池已經(jīng)誕生30多年了，它的設(shè)備、工藝、技術(shù)、材料體系以及整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都非常成熟，慢慢地已經(jīng)達(dá)到了理論極限（大約在300Wh/kg）。普通的三元鋰電池的能力密度達(dá)到300Wh/Kg已經(jīng)算是非常高了，而全固態(tài)電池可以輕松突破400Wh/Kg，預(yù)估的最大潛力甚至可以達(dá)到900Wh/Kg。

固態(tài)電池與鋰離子電池的主要差異在電解質(zhì)。 鋰離子的電解質(zhì)是液態(tài)的，以凝膠體、聚合物的形式存在，讓電池的重量難以下降。 此外，單一鋰電池組的能量不高，因此必須將多個(gè)電池組串聯(lián)，讓重量進(jìn)一步增加。工程、制造與安裝電池組的成本占電動(dòng)汽車整體成本很大的比例。

除了重量問題，電解質(zhì)也具有可燃性，在高溫下不穩(wěn)定，有熱失控的問題，若發(fā)生車禍，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重火災(zāi)。電解質(zhì)在低溫也容易凍結(jié)，降低電池的續(xù)航力。另外，電解質(zhì)會(huì)腐蝕電池的內(nèi)部組件，充放電的過程也會(huì)產(chǎn)生晶枝（dendrites），降低電池的容量、性能與壽命。

5、全固態(tài)還遠(yuǎn) 半固態(tài)電池先行

從目前的研究和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來(lái)看，固態(tài)電池的技術(shù)尚未最終形成，距離大規(guī)模量產(chǎn)的時(shí)間之后大約在10年以上的時(shí)間。全固態(tài)電池想要實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)還需解決工程技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化面臨的多重難題。在工程技術(shù)方面，存在固-固界面接觸不穩(wěn)定影響性能發(fā)揮、采用鋰金屬易發(fā)生枝晶生長(zhǎng)存在安全風(fēng)險(xiǎn)等問題。在產(chǎn)業(yè)化方面，還存在全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈需要大規(guī)模重構(gòu)和新設(shè)備開發(fā)、生產(chǎn)環(huán)境要求嚴(yán)苛、關(guān)鍵材料昂貴等問題。從全球來(lái)看以安全固態(tài)電解質(zhì)替代易燃有機(jī)電解液為特征的全固態(tài)電池成為下一代電池的主要方向，全球發(fā)達(dá)國(guó)家及地區(qū)都在積極布局，力爭(zhēng)率先突破關(guān)鍵技術(shù)。

如果從國(guó)家角度來(lái)講，目前固態(tài)電池技術(shù)最好的國(guó)家是日本。因?yàn)槿毡驹诠虘B(tài)電池的研發(fā)中制定了非常詳細(xì)的國(guó)家性計(jì)劃，每一步的分工都非常明確?！岸覈?guó)現(xiàn)在研發(fā)全固態(tài)電池還屬于各自為政階段，沒有一個(gè)完整的國(guó)家計(jì)劃來(lái)推動(dòng)，所以相比之下，日本應(yīng)該要超前我們 5 年?！?/p>

韓國(guó)現(xiàn)代方面計(jì)劃到2027年量產(chǎn)固態(tài)電池，到2030 年推出配備自產(chǎn)固態(tài)電池的電動(dòng)車型。韓國(guó)主要?jiǎng)恿﹄姵仄髽I(yè)SKI、LG化學(xué)和三星SDI給出的固態(tài)電池量產(chǎn)或商業(yè)化時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別在2025年、2026年和2027年。

目前國(guó)內(nèi)一些電池廠商也在布局固態(tài)電池技術(shù)，比如北京衛(wèi)藍(lán)、江蘇清陶和寧波鋒鋰，不過他們現(xiàn)在是以固液混合技術(shù)路線為主。國(guó)內(nèi)專家稱，固液混合并不是一個(gè)過渡技術(shù)，它可以算是固態(tài)電池的一種，甚至如果全固態(tài)電池走不通的話，也有可能成為一個(gè)最終的解決方案。全球汽車公司應(yīng)該在過渡期間尋找替代品，例如半固態(tài)電池。固態(tài)電池使用固體電極代替聚合物凝膠或液體電解質(zhì)，如鋰聚合物或鋰離子電池。包括國(guó)軒高科、孚能科技、寧德時(shí)代等國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈公司均在發(fā)力半固態(tài)電池的研制。

衛(wèi)藍(lán)新能源企業(yè)宣布車規(guī)級(jí)固態(tài)電池正式下線，這款半固態(tài)電池，預(yù)計(jì)將率先搭載在蔚來(lái)ET7車型上,蔚來(lái)ET7將成為首個(gè)續(xù)航破千的純電轎車。固液混合電池是介于液態(tài)鋰電池和全固態(tài)鋰電池之間的一種電池形式。固液混合電池和全固態(tài)電池的區(qū)別在于，它含有一定量的液體電解質(zhì)，而全固態(tài)電池只含有固體電解質(zhì)，不含任何液體電解質(zhì)。雖然衛(wèi)藍(lán)的半固態(tài)電池已經(jīng)算是很大的技術(shù)突破了，但是和全固態(tài)電池還是有很大的差距，而且目前半固態(tài)電池的價(jià)格比較高，只能裝在高端機(jī)型上。

國(guó)軒高科有關(guān)人士表示，國(guó)軒高科的半固態(tài)電池預(yù)計(jì)2022年底實(shí)現(xiàn)裝車，2023年批量交付，新電池單體能量密度達(dá)360Wh/kg，配套車型的電池包電量達(dá)160KWh，續(xù)航里程超過1000公里。此前有消息稱，新款電池有望搭載于高合汽車HiPhiX電動(dòng)車型上。

清陶能源研發(fā)的半固態(tài)電池預(yù)計(jì)于2023年在上汽集團(tuán)新款車型上實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用，雙方成立的固態(tài)電池聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)長(zhǎng)續(xù)航固態(tài)動(dòng)力電池，續(xù)航目標(biāo)在1000公里以上。據(jù)清陶能源總經(jīng)理李錚介紹，公司第一代半固態(tài)電池能量密度最大到420Wh/kg，成本與液態(tài)鋰電池相當(dāng)；第二代產(chǎn)品正在小試階段，能量密度達(dá)到500Wh/kg，成本相比液態(tài)鋰電池還要減少20%。目前清陶能源在江蘇昆山投資50億元的電池產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)建成后將達(dá)到10GWh年裝機(jī)量，達(dá)產(chǎn)后預(yù)計(jì)新增年產(chǎn)值100億元。

贛鋒鋰業(yè)已開發(fā)到二代半固態(tài)電池，預(yù)計(jì)能量密度達(dá)到400Wh/kg。贛鋒鋰業(yè)負(fù)責(zé)人在10月底表示，公司在半固態(tài)與全固態(tài)電池方面的技術(shù)都有儲(chǔ)備，對(duì)固態(tài)電池的氧化物體系、硫化物體系兩種技術(shù)路徑也有研究，其中半固態(tài)電池已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。

孚能科技有關(guān)人士透露，公司第一代半固態(tài)產(chǎn)品已經(jīng)供貨新能源車企客戶，將陸續(xù)裝車。而占據(jù)動(dòng)力電池市場(chǎng)半壁江山的寧德時(shí)代相關(guān)負(fù)責(zé)人也向記者回應(yīng)稱，對(duì)于固態(tài)電池、無(wú)鈷電池、無(wú)貴金屬電池等下一代電池和行業(yè)內(nèi)的新興技術(shù)，寧德時(shí)代始終保持高度關(guān)注并超前布局，以確保行業(yè)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者的地位。

還有就是國(guó)內(nèi)兩大電池供應(yīng)商——寧德時(shí)代和比亞迪，在固態(tài)電池領(lǐng)域的專利也不少，全固態(tài)電池技術(shù)儲(chǔ)備應(yīng)該不差，這兩家巨頭主要走的是固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線。這兩家電池巨頭隱藏得比較深，可能什么時(shí)候就一鳴驚人。

6、全固態(tài)電池關(guān)鍵科學(xué)問題探討與產(chǎn)業(yè)化展望

從目前的研究和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來(lái)看，固態(tài)電池的技術(shù)尚未最終形成，距離大規(guī)模量產(chǎn)的時(shí)間之后大約在10年以上的時(shí)間。

1、固態(tài)電池的技術(shù)路線選擇需同時(shí)兼顧電導(dǎo)率、加工性、穩(wěn)定性和制造成本等，目前來(lái)看更接近產(chǎn)業(yè)化的路線主要有兩條，一是硫化物全固態(tài)電池，需要在成本降低方面和生產(chǎn)環(huán)境控制做出較大努力。二是復(fù)合型全固態(tài)電池，聚合物固態(tài)電解質(zhì)與其他電解質(zhì)復(fù)合。除電解質(zhì)外，正極將繼續(xù)向高鎳方向發(fā)展，負(fù)極則向硅基負(fù)極或金屬鋰負(fù)極發(fā)展。

2、材料層面存在的科學(xué)問題包括界面反應(yīng)、接觸界面過小、接觸失效、鋰枝晶生長(zhǎng)等。研發(fā)方向上，高電導(dǎo)率、高界面穩(wěn)定性、高材料穩(wěn)定性是選擇材料的三個(gè)核心指標(biāo)，建議模擬實(shí)際工況開展研究，包括開發(fā)專用設(shè)備（改進(jìn)材料表征手段）、優(yōu)化制備工藝等。

3、全固態(tài)電池具有系列本征優(yōu)勢(shì)，但并不等同于絕對(duì)安全，電池安全還需要系統(tǒng)集成與理性設(shè)計(jì)。可在本征安全的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的熱蔓延階段分段采取安全抑制措施，提高電芯的耐熱能力、提升電池包的熱防護(hù)和失控預(yù)警能力是重要舉措。

4、全固態(tài)電池需要外部提供較高束縛壓力，以保證固固界面下的電池反應(yīng)。此外，全固態(tài)電池對(duì)于整車的熱管理設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、CTC集成、全生命周期監(jiān)測(cè)和管理提出了新的需求，需要整車企業(yè)和電池企業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，共同改進(jìn)。

5、全固態(tài)電池可一定程度上沿用現(xiàn)有濕法工藝，與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈的兼容度約60-70%，干法工藝兼容度略低，但部分設(shè)備依賴定制化開發(fā)。此外，全固態(tài)電池初期會(huì)主打高端、差異化等增量市場(chǎng)，同時(shí)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)需要一定周期，暫不會(huì)給原有產(chǎn)能布局帶來(lái)較大沖擊（5年的周期里不會(huì)）。

6.、全固態(tài)電池成本較高的原因，一是材料（電解質(zhì)和更高比能的正負(fù)極）成本較高，二是供應(yīng)鏈體系還不完善。通過材料性能提升、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化、電芯結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等方式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)與應(yīng)用后可一定程度上降低生產(chǎn)成本。

7、根據(jù)國(guó)內(nèi)外整車企業(yè)和動(dòng)力電池企業(yè)的規(guī)劃，預(yù)計(jì)2025年前后將建立全固態(tài)電池試制線并推出搭載的原型車，2030年前后將可能實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池小規(guī)模量產(chǎn)并正式裝車使用，但大規(guī)模上車時(shí)間仍需根據(jù)研發(fā)進(jìn)展而定。

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