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的測算，2025年我國固態(tài)電池市場空間有望達30億元，2030年有望達到200億元。

今年以來，輝能科技、太藍新能源、衛(wèi)藍新能源、Solitor、高能時代、Factorial Energy、恩力動力、SES等國內(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、寧德時代、欣旺達、梅賽德斯-奔馳、本田汽車、吉利控股、上汽集團、通用汽車、現(xiàn)代汽車、起亞等，陣容相當豪華。可以看到，固態(tài)電池已經(jīng)成為各大汽車廠商爭奪未來純電動車話語權(quán)的核心技術(shù)。

1、固態(tài)電池的原理

傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池又被科學家們形象地稱為“搖椅式電池”，搖椅的兩端為電池的正負兩極，中間為電解質(zhì)（液態(tài)）。而鋰離子就像優(yōu)秀的運動員，在搖椅的兩端來回奔跑，在鋰離子從正極到負極再到正極的運動過程中，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，封存將會變得更加容易，在汽車等大型設(shè)備上使用時，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，但因為沒有液體，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)形式存在的儲能器件。具體來說，它由正極材料+負極材料和電解質(zhì)組成，而液態(tài)鋰電池則由正極材料+負極材料+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)。薄膜負極薄膜負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)可分為有機聚合物電解質(zhì)和無機固態(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LLZO粉體。采用場輔助燒結(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)良的機械強度，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單的機械壓力法獲得。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)層和金屬負極層依次放入模具中，通過在正負極兩端施加機械壓力完成全固態(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、無機填料等也都是粉體。同時，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)合來提升固態(tài)電池的性能。此外，正極前驅(qū)體、新型金屬鋰負極、包覆改性用材料等大多也都是粉體。

3、固態(tài)電池優(yōu)劣勢分析

優(yōu)勢一：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發(fā)生改變，其中核心的一點就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以明顯減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高。

優(yōu)勢二：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（主要有有機和無機陶瓷材料兩個體系），正負極之間的距離（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，在厚度薄到毫米級以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會變得有柔性。相應(yīng)的，全固態(tài)電池在輕薄化后柔性程度也會有明顯的提高，通過使用適當?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)勢四：更安全

傳統(tǒng)鋰電池可能發(fā)生以下危險：(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)生燃燒的傾向都會加劇。采用全固態(tài)電池技術(shù)，以上兩點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：能量密度高、充電速度快、壽命較長、熱穩(wěn)定性佳。

固態(tài)電池的劣勢：

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)中傳輸動力學低。

2、成本相對較高。

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供電的固態(tài)電池，其成本會達到1.5萬美元，而足以為汽車供電的固態(tài)電池成本更是達到令人咋舌的9000萬美元。

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)計不當，可能會影響內(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)、材料體系以及整個產(chǎn)業(yè)鏈都非常成熟，慢慢地已經(jīng)達到了理論極限（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，因此必須將多個電池組串聯(lián)，讓重量進一步增加。工程、制造與安裝電池組的成本占電動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，可能會導(dǎo)致嚴重火災(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)會腐蝕電池的內(nèi)部組件，充放電的過程也會產(chǎn)生晶枝（dendrites），降低電池的容量、性能與壽命。

5、全固態(tài)還遠 半固態(tài)電池先行

從目前的研究和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來看，固態(tài)電池的技術(shù)尚未最終形成，距離大規(guī)模量產(chǎn)的時間之后大約在10年以上的時間。全固態(tài)電池想要實現(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)生枝晶生長存在安全風險等問題。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)境要求嚴苛、關(guān)鍵材料昂貴等問題。從全球來看以安全固態(tài)電解質(zhì)替代易燃有機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)達國家及地區(qū)都在積極布局，力爭率先突破關(guān)鍵技術(shù)。

如果從國家角度來講，目前固態(tài)電池技術(shù)最好的國家是日本。因為日本在固態(tài)電池的研發(fā)中制定了非常詳細的國家性計劃，每一步的分工都非常明確。“而我國現(xiàn)在研發(fā)全固態(tài)電池還屬于各自為政階段，沒有一個完整的國家計劃來推動，所以相比之下，日本應(yīng)該要超前我們 5 年。”

韓國現(xiàn)代方面計劃到2027年量產(chǎn)固態(tài)電池，到2030 年推出配備自產(chǎn)固態(tài)電池的電動車型。韓國主要動力電池企業(yè)SKI、LG化學和三星SDI給出的固態(tài)電池量產(chǎn)或商業(yè)化時間節(jié)點分別在2025年、2026年和2027年。

目前國內(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、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。國內(nèi)專家稱，固液混合并不是一個過渡技術(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。包括國軒高科、孚能科技、寧德時代等國內(nèi)動力電池產(chǎn)業(yè)鏈公司均在發(fā)力半固態(tài)電池的研制。

衛(wèi)藍新能源企業(yè)宣布車規(guī)級固態(tài)電池正式下線，這款半固態(tài)電池，預(yù)計將率先搭載在蔚來ET7車型上,蔚來ET7將成為首個續(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)電池的價格比較高，只能裝在高端機型上。

國軒高科有關(guān)人士表示，國軒高科的半固態(tài)電池預(yù)計2022年底實現(xiàn)裝車，2023年批量交付，新電池單體能量密度達360Wh/kg，配套車型的電池包電量達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電動車型上。

清陶能源研發(fā)的半固態(tài)電池預(yù)計于2023年在上汽集團新款車型上實現(xiàn)落地應(yīng)用，雙方成立的固態(tài)電池聯(lián)合實驗室共同研發(fā)長續(xù)航固態(tài)動力電池，續(xù)航目標在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；第二代產(chǎn)品正在小試階段，能量密度達到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)化項目正在建設(shè)中，預(yù)計建成后將達到10GWh年裝機量，達產(chǎn)后預(yù)計新增年產(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)計能量密度達到400Wh/kg。贛鋒鋰業(yè)負責人在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)都有儲備，對固態(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)動力電池市場半壁江山的寧德時代相關(guān)負責人也向記者回應(yīng)稱，對于固態(tài)電池、無鈷電池、無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。

還有就是國內(nèi)兩大電池供應(yīng)商——寧德時代和比亞迪，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，可能什么時候就一鳴驚人。

6、全固態(tài)電池關(guān)鍵科學問題探討與產(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)的時間之后大約在10年以上的時間。

1、固態(tài)電池的技術(shù)路線選擇需同時兼顧電導(dǎo)率、加工性、穩(wěn)定性和制造成本等，目前來看更接近產(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，負極則向硅基負極或金屬鋰負極發(fā)展。

2、材料層面存在的科學問題包括界面反應(yīng)、接觸界面過小、接觸失效、鋰枝晶生長等。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核心指標，建議模擬實際工況開展研究，包括開發(fā)專用設(shè)備（改進材料表征手段）、優(yōu)化制備工藝等。

3、全固態(tài)電池具有系列本征優(yōu)勢，但并不等同于絕對安全，電池安全還需要系統(tǒng)集成與理性設(shè)計?？稍诒菊靼踩幕A(chǔ)上，針對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)電池對于整車的熱管理設(shè)計、結(jié)構(gòu)件設(shè)計、CTC集成、全生命周期監(jiān)測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，共同改進。

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)電池初期會主打高端、差異化等增量市場，同時產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)需要一定周期，暫不會給原有產(chǎn)能布局帶來較大沖擊（5年的周期里不會）。

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)工藝簡化、電芯結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等方式，實現(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)國內(nèi)外整車企業(yè)和動力電池企業(yè)的規(guī)劃，預(yù)計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)模上車時間仍需根據(jù)研發(fā)進展而定。

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