祛魅固态电池：一文看懂这项大火的技术

“充电十分钟，续航1000公里。”这是丰田汽车最近放出的数据，根据他们的规划，预计2027～2028年推出丰田全固态电池。

最近一段时间内，厂商排着队研究固态电池，比如特斯拉最新专利披露了一项革命性的固态电池技术突破；预计到2027年，宁德时代实现全固态电池小批量生产；三星SDI宣布已向客户交付了首批固态电池产品，并在接下来将进行为期六个月的测试；SK On和LG新能源分别计划在2028年和2030年实现全固态电池的商业化；松下计划于2030年实现全固态动力电池的商业化；通过与QuantumScape合作，大众汽车在其乘用车的固态电池技术上投入了大量资金，目标是在2025年投产；我国主要动力电池企业全固态电池商业化的时间节点大多是在2026～2030年间。          

在如此大热的行情下，可以说，汽车工程师都要懂点固态电池技术。所以，固态电池究竟是什么，对比现有技术，它又有什么优势？一文让你看懂。

固态电池，什么东西固态了？ 

众所周知，电池系统除了决定车辆的续航里程外，还会影响车辆的性能、重量、成本和充电要求。所以，“卷电池”就成了车企的必修课。          

不得不说，当前的液态锂电池技术框架已经开始触及瓶颈，即便采用高镍三元正极、硅碳负极和先进电解液，其性能提升也将在未来3～5年内达到极限（能量密度上限预计为350Wh/Kg），就算这样，依然无法满足动力电池在安全性、能量密度及成本方面的严苛要求。         

目前，世界正在押注两种电池技术作为未来：一是固态电池，二是燃料电池（比如氢燃料电池），两大巨人都在决战未来。            

那么，所谓固态电池，究竟固态在哪？         

其实原理很简单，就是用固体材料代替电解质。在固态电池中，正负极之间不存在液态电解质，而是由固态电解质连接。当电池充电时，正离子从正极移动到负极，同时电子通过外部电路移动。当电池放电时，离子和电子的运动方向相反。             

固态锂电池，属于第四代锂电池。        

此处的电解质，是锂电池的四大核心材料之一。在动力电池中，四大核心材料为正极材料、负极材料、电解液和隔膜，占总成本将近40%。其它为电池组材料、外壳材料等。        

液态锂离子电池的主要构成

平时我们所说的三元锂电池、磷酸铁锂电池，名字都取自正极，指代的是不同的正极材料+硅碳负极+先进液态电解液，主要包括：          

• 钴酸锂（HT-Li-CoO2）电池：第一款商业化锂离子电池的正极材料，具有三种物相，有极高的体积能量密度，电化学性能优越，体积能量比高，标称电压3.7V，广泛应用于消费类电子设备，如MP3、手机、笔记本电脑，因为其安全性差，不适合用于动力电池。   

• 磷酸铁锂电池（LiFePO4）：正极采用磷酸铁锂取代以前使用的钴酸锂。尽管功率密度相同，但产生的热量较少。这导致消除了电池中的自燃。以前已知的“记忆效应”在使用新材料的电池中也被消除了。LiFePO4 可充电电池在1997年发明后，在手机和笔记本电脑中用作平面设计，或在熟悉的AA 或AAA可充电电池中用作圆形设计，开始了其在世界范围内的成功故事。

• 三元锂电池：正极材料采用了包含镍、钴、锰（或铝）三种金属元素的三元聚合物。因其长续航，广泛应用于对续航要求高的电动汽车。宁德时代多生产三元锂电池，并研发推出了成本更低的钠离子电池。能量密度高。电芯标称电压可达3.7V，高于磷酸铁锂的3.2V，输出功率大，续航更长。低温性能更好，冬季电池续航衰减要好于磷酸铁锂电池。但是安全性差、耐高温性差、成本高于磷酸铁锂电池，循环放电1000次左右，寿命略短于磷酸铁锂电池。

• 锰酸锂（LiMn2O4）电池：正极使用锰酸锂材料的电池，锰酸锂电池其标称电压在2.5~4.2v ，标称电压为3.7V。日产LEAF就选用了锰酸锂。成本低、低温性能好的正极材料。低电阻实现了快速充电和大电流放电。不过耐高温性差，容易产生气体，产生膨胀等，循环寿命短，一般在600-800次。              

液态锂离子电池的四大核心材料构成     

而现在，把电解质从液态变为固态，命名就更靠近电解质了。          

固态电池正极通常由锂过渡金属氧化物（包括锂铁氧化物LiFeO2、锂镍氧化物LiNiO2、锂钴氧化物LiCoO2等）或聚阴离子化合物组成；负极由碳基材料或硅基材料组成；固态电解质主要包括无机陶瓷类电解质和有机聚合物电解质两类，不同电解质拥有不同优缺点，目前主要包括氧化物、聚合物、硫化物三大路线，市场还没有什么固定选项。          

这样看起来，和液态锂电池基本一致，除了电解质。              

从液到固，就像魔法一样 

虽然看似只是电解质形态的转变，但就像施了魔法一样，给锂电池带来许多优势。          

固态电池分为半固态和纯固态两种，在相同的体积或重量下，固态电池的能量密度越高、电量更多、电池寿命更长、循环寿命更长。         

与传统锂离子电池相比，固态电池一般能量密度要高出20%，最多可提供2.5倍的能量密度，这意味着它们可以在更小的空间内存储更多的能量，使它们比其他电池更小、更轻，同时仍提供相同的功率；它们的充电速度比传统锂离子电池快大约快5～6倍，这使得它们非常适合对速度至关重要的应用；在某些情况下，使用寿命是传统锂离子电池的两倍以上。              

更重要的是，锂电池一直有个让人头大的难题，就是易燃易挥发，发生事故时锂电池内部会产生大量的热量。这是因为液体电解质中的易燃有机溶剂可能会导致电池着火甚至爆炸，相对不稳定。一旦液态锂电池受到挤压和冲击，隔膜就会破裂，导致正负极短路。          

固态电池则不包含任何液体成分或可燃材料，因此当其它类型的电池可能发生的火灾危险或爆炸时，它们构成的风险要小得多。此外，固态电池比传统的锂离子电池更能抵抗极端温度，因此非常适合在高温高远地区或恶劣环境中使用，这些环境的温度在一天或一年中可能会大幅波动。         

谁在造固态电池？ 

不过，听起来就是换个电解质的事儿，看似挺简单的，但做起来比想象中要难上许多。

究其原因，在于固态电池面临着三个大问题：离子运输机制、锂枝晶生长机制、固-固界面问题，加之当前固态电池制造工艺不成熟，阻碍固态电池的广泛实际应用。          

第一批固态电池在1980年代以薄膜的形式制造，但是，制造起来属实有些困难，导致制造商放弃了它们。随着技术的发展，固态电池又卷土重来，虽然迄今为止纯固态电池技术仍然不成熟，不过已经有半固态之类的在应用，比如，卫蓝新能源和赣锋锂电等为代表的中国企业的半固态电池的量产装车，标志着半固态电池在 2023 年实现了经济学意义上的产业化。             

全固态2027年有望实现量产装车，尽管许多公司声称已经实现了性能非常好的固态电池制样和测试，但到目前为止，全固态电池仍处于实验室研究和开发阶段，2030年左右进入大规模量产阶段。    

在技术方向上，日韩起步最早并选择了硫化物固态电解质路线；欧美选择氧化物固态电解质路线居多，且均在直接开发锂金属负极应用。          

中国三种固态电解质路线均有布局，在开发全固态电池的同时也在大力发展对现有产业更友好的半固态电池。其中企业包括以宁德时代为代表的电池厂、以卫蓝为代表的新势力、以金龙羽为代表的其他行业转型、以赣锋锂业为代表的上游企业等：          

• 宁德时代：硫化物+锂金属+高性能正极路线，计划2027年小批量量产，将建立10Ah级别全固态电池验证平台，打通干法、湿法极片制备和电芯一体化成型工艺方案。

• 卫蓝新能源：氧化物+聚合物路线，湿法工艺，部分设备自研。能量密度目标400Wh/Kg以上，2027年实现全固态电池量产。

• 清陶能源：规划从半固态过渡到全固态进阶，全固态沿用IPC电解质体系。

• 国轩高科：高镍三元（单晶）+硫化物+硅负极，量产落地产品能量密度350Wh/Kg，2027年小批量上车实验，2030年量产。   

• 蜂巢能源：硫化物路线，目前具备20Ah全固态电池能力，能量密度大于380Wh/kg。

• 亿纬锂能：聚合物、氧化物、卤化物三条路线均布局，负极锂金属，正极高镍体系。

• 弗迪电池：高镍三元（单晶）+硅负极（高比容量低膨胀）+硫化物电解质（复合卤化物电解质）的材料体系。

• 中创新航：从半固态过渡到全固态。半固态技术能量密度达到450Wh/kg，全固态电池技术采用复合金属负极的，能量密度可达600Wh/kg。

• 孚能科技：第一代半固态产品在2022年9月投产（270～330Wh/kg），第二代将在2025年投产（300～350Wh/kg），第三代预计2028年投产，400Wh/kg以上的全固态电池计划2032年投产（330～375Wh/kg）。

• 高能时代：硫化物路线，目前已有应用于消费电子产品的20Ah级别硫化物全固态电池样品。

• 恩力动力：硫化物+锂金属路线，研发出520Wh/kg锂金属固态电池、389Wh/kg的18650圆柱电池。

• 赣锋锂电：GARNET型和NASICON 型氧化物，锂金属负极。第一代固液混合电池已经量产，能量密度240～270Wh/kg，第二代固液混合电池（三元正极、固态隔膜、锂金属负极）研发中，能量密度可达到400Wh/kg以上，

• 太蓝新能源：氧化物路线、锂金属负极。已经制备出120Ah车规级全固态电池，能量密度720Wh/kg，正极富锂锰基、负极锂金属基材料、氧化物复合固态电解质。       

不过，需要注意的是，第一批配备固态电池的电池电动汽车或氢混合动力汽车的购买成本应该比那些集成锂离子技术的汽车高得多，因为生产投资必须摊销。          

而我们都知道，汽车市场一直都很卷，想必届时，不仅会卷电池本身，还会继续“卷材料”“卷路线”“卷产业链”“卷上游设备”。     

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