固態電池作為一種新興的能源存儲技術，具有廣闊的產業化前景。隨著科技的不斷進步，固態電池將會得到更廣泛的市場化推廣與應用，并成為未來能源存儲領域的重要力量。

本文作者：《中國工業和信息化》副總編輯孟繁科。

人類最早使用的電池是圓柱體、有正負極的固態電池，通常稱之為“干電池”，基本用于手電筒、收音機等小型電器，后來出現的紐扣電池可以歸為同一類產品。但干電池的能量太小，無法驅動汽車等大質量設備。目前使用的動力電池在安全性、能量密度與使用壽命上，存在明顯的弱點，尤其是潛力已被發揮到極致。

因此，固態電池因其高安全性、高能量密度，以及超長的使用壽命，成為了動力電池的未來發展方向。然而，由于固態電池在固態電解質的穩定性、電極材料的選擇、制造工藝與成本、規模應用的安全可靠，以及規模化生產技術上面臨著諸多困難，產業化發展還有一段艱難的路要走。

固態電池的發展現狀

簡單說，固態電池就是一種使用固體電極和固體電解質的電池。即，使用固體電極和固體電解質，代替液體或聚合物凝膠電解質中發現的鋰離子或鋰聚合物的電池。通常，固態物質相比于液態物質的能量較高、燃點較低，電池體系的能量密度和安全性得以提高，并可降低電極-電解質界面副反應，延長使用壽命。它不僅具有傳統鋰離子電池安全性高、比容量大、循環壽命長等優點，還能有效解決電動汽車續航里程短、充電時間長、低溫性能差等問題。

固態電池主要由薄膜正負極材料與電解質組成。其核心是固態電解質（SSE），主要分為三個方向：聚合物、氧化物與硫化物。與傳統鋰電池相比具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發等特性。

? 聚合物方向：PEO固態聚合物、聚碳酸酯體系、聚丸氧基體系與聚合物鋰單離子導體基體系，其主要提升空間在混合多種材料、更新材料等方面。

? 氧化物方向：主要包含薄膜型，非薄膜型，主要發展方向是摻雜同種異價元素。

? 硫化物方向：主要分為Thio-LiSIN型、LiGPS型與Li-aegyrodite型。

目前，固態電解質主要有兩種制備方法：一種是將鋰金屬和聚合物材料混合后經高溫燒結制成；另一種則是通過熔融鹽直接合成。隨著研究的不斷深入，固態電池也開始朝多功能化、實用化的方向發展，如將液態電解質與無機電解質復合使用等。

固態電解質（SSE）是將液態電解質薄膜或固體聚合物電解質進行退火處理后的固態物質。其主要由電極材料、電解質、隔膜和聚合物粘結劑組成，在鋰離子電池中主要起到正負極連接的作用。SSE包括有機和無機兩大類，其中無機材料包括鋰金屬和鋰硅酸鹽等，有機材料包括聚合物和金屬氧化物。近年來，無機SSE受到了廣泛關注，主要原因是其具有很高的電導率、良好的化學穩定性、安全性及機械性能等。

無機SSE包括有機鋰鹽、硫酸鹽和鈉鹽等。其中，鋰鹽因具有較高的離子電導率而受到廣泛關注。目前，固態鋰電池常用的電解質材料有聚合物、陶瓷、氧化物等。其中陶瓷電解質具有優良的離子電導率、機械性能和化學穩定性等優勢；而聚合物電解質具有成本低廉、電化學窗口寬、耐高溫等優點；氧化物電解質具有結構穩定、安全無毒等優點，但其電導率低。此外，還有一些新型材料，如過渡金屬氧化物（TMOs）和聚合物電解質等，由于其具有較高的電導率和優異的循環性能而備受關注。

電極材料是固態電池中最重要的組成部分之一，決定了電池的容量、電壓、能量密度等重要參數。目前，在固態電池中，研究最多的電極材料有金屬鋰（Li+）、錳（Mn2+）、硫（S）、聚合物（PP）等。固態電池的負極材料多采用金屬鋰或其氧化物，而正極材料則多采用含有鋰的聚合物材料。

同時，固態電池電極-電解質界面處，存在大量副反應，包括電解質溶解、表面副反應、離子遷移等。為了提高固態電池的穩定性，研究者們采取了多種措施來改善電極-電解質界面的穩定性。

一方面可以通過提高固體電解質材料的離子電導率來降低界面副反應，另一方面可以通過制備多孔固體電解質材料來改善電極-電解質界面處的離子遷移。此外，通過調控界面結構也能有效地抑制電極-電解質界面處副反應發生。

目前，很多國際知名的科研機構和企業正在進行固態電池的研究與開發工作，包括中國的寧德時代、衛藍新能源、清陶能源與贛鋒鋰業；日本的豐田汽車和松下電器、美國的特斯拉和蘋果等。這些研究機構和企業試圖通過改進固態電解質、電極材料和設計等，提高固態電池的性能。如去掉一個電極，這意味著使用更少的材料，同時也降低了成本。此外，科學家們用硫化物基固體電解質進行了無陽極全固態電池的實驗。但要真正將其推向市場，還需要進行大量的工作。

雖然固態電池仍處于研發階段，但一些企業已經開始商業化生產。例如，世界上第一塊商用固態電池由美國企業Solid Power開發，已經開始在某款電動汽車上進行測試。

固態電池與傳統鋰電池的對比

固態電池與鋰離子電池相比，固態電池具有許多優勢。

一是鋰離子電池在使用過程中需要充電和放電，而固態電池不需要這種操作，它可以使用固體電解質代替液態電解質，以減少對環境的污染。

二是鋰離子電池的體積是其質量的3~4倍，而固態電池的體積要小得多。這意味著它可以在小型車輛中安裝更大容量的電池，同樣也意味著在相同空間內可以提供更大的能量。

三是鋰離子電池通常需要較高的電壓才能充電，而固態電池只需要5v~7v伏電壓就能充電，充電更安全便捷。

四是鋰離子電池是由碳材料制成，而固態電池則是由無機物組成，對環境更友好。

五是鋰離子電池需要使用液體電解質，而固態電池使用固體電解質，安全性提升。

六是鋰離子電池組需要更多的能量來存儲電力，而固態電池組可以提供更多的能量存儲。

七是鋰離子電池組需要充電和放電過程來產生電化學反應，并將其轉化為電能，而固態電池則不需要轉化過程。

目前，傳統鋰離子電池的能量密度已達極限，而固態電池則具有更高能量密度。原因在于，傳統鋰離子電池的負極材料與電解液之間存在較大的接觸面積，因此需要使用更多的電極材料和電解質才能提高性能。固態電解質可以提供更大的接觸面積，從而減少電極材料和電解質之間的接觸面積，這樣做將使固態電池具有更高的能量密度。

固態電池可以在更大的溫度范圍內使用。當溫度過高時，鋰離子電池的液體電解質就會蒸發，導致電池容量降低。固態電解質則可以將熱量轉移到負極或正極，從而避免這種問題。此外，在高溫下或在充電時，鋰離子電池可能會導致某些安全問題，例如電池過熱引起燃燒。鋰離子電池在低溫下工作時也可能會遇到問題，因為它們不具備在更低溫度下工作的能力。總體上說，固態電池的工作溫度為-20℃~100℃，因此不太容易受到外部環境的影響。

在所有電池技術中，固態電池技術被認為是最有前途的技術之一，因為它具有很高的能量密度。根據國際能源署（IEA）的數據，目前電動車的能量密度已接近500 Wh/kg。據報道，一些固態電池制造商正在探索將這種能量密度提高到1000 Wh/kg左右的方法。

一項新研究顯示，固態電池可以在不增加鋰離子電池質量的情況下提高其能量密度。與傳統鋰離子電池相比，這種固態電池的質量能量密度可提高40%以上。

固態電池與傳統鋰電池相比，在幾個關鍵方面存在著優勢。

? 一是安全性。固態電池使用固態電解質，相對于液態電解質的鋰電池，具備更高的熱穩定性和耐沖擊性，能夠有效減少電池熱失控和爆炸的風險。

? 二是能量密度。固態電池采用固態電解質，其能夠提供更高的離子導電性，從而實現更高的儲能能力。這意味著固態電池可以提供更長的續航里程和更大的能量存儲容量。

? 三是循環壽命。固態電解質不容易發生電解質溶解、金屬鋰生長等問題，可以有效延長電池的使用壽命。

? 四是溫度適應性。由于固態電池使用了固態電解質，因此可以在更大的溫度范圍內工作，適應更極端的氣候環境。

然而在短期內，傳統鋰電池仍然是主流能源存儲技術，而固態電池則被認為是未來的發展方向。

固態電池的產業化難點

“固態電池”這一概念的提出已有10年時間，但直至2023年才開始在業界引起廣泛關注。

2023年7月初，燃油車市場頭部企業、一直并不看好新能源汽車的豐田與在液態鋰離子電池市場節節敗退的松下電池，宣稱已可以生產固態電池。成本、重量、體積均實現減半，充電最多10分鐘，續航就能達到1200km，同時稱“量產時間在2027—2028年”。這一消息遭到寧德時代等一眾動力電池企業的公開質疑。

據悉，就在豐田之前，衛藍新能源已生產出“360Wh/kg鋰電池電芯”。該電芯采用半固態電解液、硅碳復合負極材料、超高鎳正極材料，單體能量密度達360Wh/kg，續航里程可達1000公里，但衛藍并沒有宣稱這就是固態電池。

據中科院院士、清華大學教授歐陽明高預測，2025年是液態電池向固態電池過渡的關鍵期，而2030年應該是轉向全固態電池發展的一個關鍵節點。在2030年前，液態電池及半固態電池等現有的鋰電技術仍將占據市場絕對主導地位。也就是說，“全固態電池要實現產業化，并對市場格局產生重要影響，仍然需要10年左右的時間。”

蔚來總裁秦力洪曾說，半固態電池成本很高，一個電池包相當于一輛ET5（整車29.8萬起）。這么高的價格難以被市場接受，是固態電池產業化必須解決的難題。

寧德時代董事長曾毓群曾表示：“固態電池有很多科學及技術的基礎問題尚未解決，我們公司深耕10多年，仍然認為難以形成有技術可行性和市場競爭力的產品。”

針對豐田宣布可生產固態電池的說法，寧德時代首席科學家吳凱則表示，全固態電池目前還有些行業核心問題亟待解決。“如果豐田說今天可以量產全固態電池，我是持懷疑態度的，目前全行業誰都不具備量產全固態電池的能力。至于到2027年能否量產，作為技術人員，我也很難說得準確。”

簡言之，目前全固態電池是實驗室研究狀態，量產和商業化還面臨著諸多難題。

雖然與鋰離子電池相比，固態電池的技術路線并不神秘，但卻是目前最為昂貴、最難實現量產的技術之一。

固態電池的主要技術難點在于電極材料和電解質材料。據了解，目前商業化的固態電池主要采用聚合物電解質，如鋰離子聚合物電池中使用的液體電解質，包括 LiNi0.5 Co0.5O2和Li2O1.5 Ni1.5 Co1.5O2。實際上，全球知名企業均已布局固態電池的產業化。

在國內，比亞迪、寧德時代等企業紛紛開始布局固態電池。比亞迪以磷酸鐵鋰為正極材料、高鎳三元為負極材料的全固態電池于2023年8月正式量產；寧德時代則通過與韓國 LG化學合作的方式，在固態電池技術方面取得了重大突破。

在國際上，美國特斯拉正在與福特合作開發一種固態電池，將使用液態鋰離子電池作為其車載動力系統；日本松下公司則是與豐田汽車公司合作，在研發固態電池方面進行了長期的技術積累。

固態電池在安全性方面與現有的液態鋰離子電池相比，主要存在如下問題：一方面，由于固態電解質是半絕緣體，在充放電過程中不會產生電化學反應；另一方面，固態電解質在生產和使用過程中存在缺陷，容易發生斷裂、分解等現象。但總體安全性上仍高于液態鋰離子電池。

固態電池的可靠性主要體現在以下幾個方面：一是不存在液態電解質與隔膜之間的化學反應；二是不存在液態電解質與負極之間的化學反應；三是不會發生電解液和負極之間的化學反應。

盡管固態電池在安全性與可靠性方面優于傳統鋰離子電池，但其成本較高、制備工藝復雜，是其目前產業化的難題。

固態電池的高成本問題源于所用電極材料——氧化物、硫化物和聚合物等。氧化物正極材料主要是由氧化鋁、氧化鈦等無機材料制成；硫化物正極材料則是由硫、硫化物及聚合物構成；而聚合物正極則是由聚碳酸酯、纖維素等多種高分子化合物組成。固態電池所需的電極材料都是高科技新材料，目前價格昂貴，不僅需要科技進步降低生產難度，也需要時間由市場消化高昂的價格。此外，由于固態電池的負極采用的是聚合物電解質，成本也會有所提高。

并不是用上某種材料就能出現性能的大幅提高，僅在材料系統，做出微小的改變，也需要其他材料以及結構適配，怎么找到最好的配合系列，要經過千百次的試驗才行。

從工藝上來說，并不是替換液態電解質那么簡單。由于固態電池在固態電解質和電極兩個層面都有材料，因此其生產工藝與液態電池有很大不同。雖然固態電池的生產工藝已經相對成熟，但由于是全新的體系，其生產工藝與傳統電池的生產工藝仍然存在一定差異。

現階段，固態電池主要通過薄膜沉積法、涂布法或熔融共混等方法進行制備。在薄膜沉積法中，通過調整沉積時間和沉積溫度，可以獲得厚度可控、均勻性好的固態電解質薄膜；在涂布法中，可將固態電解質與電解質薄膜復合在一起進行涂布；在熔融共混法中，將固體電解質與固體電解質膜進行熔融共混后涂布。

同時，需要對固態電池進行組裝和封裝。目前，固態電池主要采用軟包、圓柱和方形三種形態。其中，軟包電池已經在部分車型中得到應用；圓柱電池的尺寸越來越小，能量密度也越來越高；方形電池尺寸更加小巧，但其能量密度相對較低。

固態電池由于其成本高昂，并面臨氫燃料電池的發展競爭，已限制了其發展潛力。寧德時代已開始鈉離子電池實驗，原因也在于鈉離子電池具有更高的可用性，生產也可持續。固態電池的成本高于鋰電池是不爭的事實。

總結起來說，固態電池產業化難題主要在以下幾方面。

? 一是固態電解質的穩定性。固態電池的核心是固態電解質，該電解質必須具備高離子導電性和良好的穩定性。然而，目前的固態電解質材料仍存在高溫或高電壓環境下容易分解、電解質與電極界面的相互作用等難題。這些問題限制了固態電池的循環壽命和安全性能。

? 二是電極材料的選用和匹配。固態電解質與電極材料之間的界面特性對電池性能具有重要影響，因此需要尋找匹配良好、與固態電解質相容性較好的電極材料。

? 三是電池制造工藝與成本。固態電池的制造工藝相對復雜，需要控制高溫下材料的合成和組裝過程。此外，由于固態電池材料相對較新且生產規模較小、成本較高，需要進一步降低成本才能實現產業化。

? 四是安全性和可靠性。固態電池的高安全性是其優勢之一，然而在大規模應用中，需要確保電池能夠在各種條件下穩定工作。特別是在高溫或高電流的情況下，需要解決電解質不穩定、電極材料脫落等問題，確保固態電池的安全性和可靠性。

? 五是規模化生產技術。如何將固態電池的研發成果轉化為大規模的生產技術也是一個挑戰。需要發展高效的制造工藝，提高生產效率和降低成本，并建立可靠的供應鏈體系。

固態電池未來產業化前景展望

近日，特斯拉 CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）表示，特斯拉在研發固態電池方面取得了重大進展。在此前后，中國科學院上海硅酸鹽研究所和中國科學院金屬研究所，在固態電池材料和器件方面也取得了突破性進展，并將于近期開展固態電池的相關實驗研究。

在固態電池方面，美國相關研究集中于聚合物電解質和固態電解質的性能提升上；德國主要聚焦于固態電解質中的離子導電率及穩定性研究；中國主要集中于固態電解質中鋰離子電導率及界面穩定性研究。

隨著技術不斷成熟，固態電池將在新能源汽車、儲能、消費電子等領域發揮重要作用，為實現從汽車大國向汽車強國轉變提供重要支撐。

當然，固態電池作為一種新興的能源存儲技術，在未來產業化方面具有廣闊前景，并不僅僅局限在新能源汽車領域。

一是電動汽車領域應用。電動汽車是固態電池在未來的主要應用領域之一。固態電池具有高能量密度、長循環壽命和高安全性等優勢，可以提高電動汽車的續航里程和充電速度，并降低電池的故障和火災風險。隨著電動汽車市場的快速增長，固態電池有望成為主流的電動汽車能源存儲解決方案。

二是移動設備和可穿戴設備。固態電池也具有在移動設備和可穿戴設備領域的廣泛應用前景。固態電池相比傳統鋰電池具有更高的能量密度和更長的循環壽命，可以延長移動設備和可穿戴設備的使用時間，并提供更穩定的電源供應。

三是能源存儲系統。固態電池可以應用于能源存儲系統，支持可再生能源的儲能和分發，在電網儲能和家庭能源存儲等應用中具有潛力。

四是航空航天領域。固態電池在航空航天領域也具有廣闊的應用前景，可以滿足航空航天領域對于高性能電池的需求。

2023年7月15日，日本東京工業大學特聘教授菅野了次等人組成的研究團隊發布消息，通過重新開發基礎材料、重新研究制造工藝等方式，成功提高了全固態電池的快速充電性能和容量。快速充電性能指標與之前相比最多可提高3.8倍，正極容量按單位電極面積計算可提高1.8倍。

固態電池產業化大幕已經開啟，誰能率先商業化應用，誰將占領產業制高點，讓我們拭目以待。

總之，固態電池作為一種新興的能源存儲技術具有廣闊的產業化前景。隨著科技的不斷進步，固態電池將會得到更廣泛的市場化推廣與應用，并成為未來能源存儲領域的重要力量。

編輯：黃飛