人類最早使用的電池是圓柱體、有正負極的固態(tài)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(xiàn)的紐扣電池可以歸為同一類產(chǎn)品。但干電池的能量太小，無法驅(qū)動汽車等大質(zhì)量設(shè)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(fā)揮到極致。因此，固態(tài)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(fā)展方向。然而，由于固態(tài)電池在固態(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性、電極材料的選擇、制造工藝與成本、規(guī)模應(yīng)用的安全可靠，以及規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)上面臨著諸多困難，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展還有一段艱難的路要走。
簡單說，固態(tài)電池就是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池。即，使用固體電極和固體電解質(zhì)，代替液體或聚合物凝膠電解質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的鋰離子或鋰聚合物的電池。通常，固態(tài)物質(zhì)相比于液態(tài)物質(zhì)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(zhì)界面副反應(yīng)，延長使用壽命。它不僅具有傳統(tǒng)鋰離子電池安全性高、比容量大、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，還能有效解決電動汽車?yán)m(xù)航里程短、充電時間長、低溫性能差等問題。
固態(tài)電池主要由薄膜正負極材料與電解質(zhì)組成。其核心是固態(tài)電解質(zhì)（SSE），主要分為三個方向：聚合物、氧化物與硫化物。與傳統(tǒng)鋰電池相比具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發(fā)等特性。
聚合物方向：PEO固態(tài)聚合物、聚碳酸酯體系、聚丸氧基體系與聚合物鋰單離子導(dǎo)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(fā)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(tài)電解質(zhì)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(jīng)高溫?zé)Y(jié)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(tài)電池也開始朝多功能化、實用化的方向發(fā)展，如將液態(tài)電解質(zhì)與無機電解質(zhì)復(fù)合使用等。
固態(tài)電解質(zhì)（SSE）是將液態(tài)電解質(zhì)薄膜或固體聚合物電解質(zhì)進行退火處理后的固態(tài)物質(zhì)。其主要由電極材料、電解質(zhì)、隔膜和聚合物粘結(jié)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(guān)注，主要原因是其具有很高的電導(dǎo)率、良好的化學(xué)穩(wěn)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(dǎo)率而受到廣泛關(guān)注。目前，固態(tài)鋰電池常用的電解質(zhì)材料有聚合物、陶瓷、氧化物等。其中陶瓷電解質(zhì)具有優(yōu)良的離子電導(dǎo)率、機械性能和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢；而聚合物電解質(zhì)具有成本低廉、電化學(xué)窗口寬、耐高溫等優(yōu)點；氧化物電解質(zhì)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全無毒等優(yōu)點，但其電導(dǎo)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(zhì)等，由于其具有較高的電導(dǎo)率和優(yōu)異的循環(huán)性能而備受關(guān)注。
電極材料是固態(tài)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(shù)。目前，在固態(tài)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(tài)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(tài)電池電極-電解質(zhì)界面處，存在大量副反應(yīng)，包括電解質(zhì)溶解、表面副反應(yīng)、離子遷移等。為了提高固態(tài)電池的穩(wěn)定性，研究者們采取了多種措施來改善電極-電解質(zhì)界面的穩(wěn)定性。
一方面可以通過提高固體電解質(zhì)材料的離子電導(dǎo)率來降低界面副反應(yīng)，另一方面可以通過制備多孔固體電解質(zhì)材料來改善電極-電解質(zhì)界面處的離子遷移。此外，通過調(diào)控界面結(jié)構(gòu)也能有效地抑制電極-電解質(zhì)界面處副反應(yīng)發(fā)生。
目前，很多國際知名的科研機構(gòu)和企業(yè)正在進行固態(tài)電池的研究與開發(fā)工作，包括中國的寧德時代、衛(wèi)藍新能源、清陶能源與贛鋒鋰業(yè)；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(gòu)和企業(yè)試圖通過改進固態(tài)電解質(zhì)、電極材料和設(shè)計等，提高固態(tài)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(xué)家們用硫化物基固體電解質(zhì)進行了無陽極全固態(tài)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(tài)電池仍處于研發(fā)階段，但一些企業(yè)已經(jīng)開始商業(yè)化生產(chǎn)。例如，世界上第一塊商用固態(tài)電池由美國企業(yè)Solid Power開發(fā)，已經(jīng)開始在某款電動汽車上進行測試。
固態(tài)電池與鋰離子電池相比，固態(tài)電池具有許多優(yōu)勢.
一是鋰離子電池在使用過程中需要充電和放電，而固態(tài)電池不需要這種操作，它可以使用固體電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)，以減少對環(huán)境的污染。二是鋰離子電池的體積是其質(zhì)量的3~4倍，而固態(tài)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(nèi)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(tài)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(tài)電池則是由無機物組成，對環(huán)境更友好。五是鋰離子電池需要使用液體電解質(zhì)，而固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)，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(tài)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(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)化為電能，而固態(tài)電池則不需要轉(zhuǎn)化過程。
目前，傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度已達極限，而固態(tài)電池則具有更高能量密度。原因在于，傳統(tǒng)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(zhì)才能提高性能。固態(tài)電解質(zhì)可以提供更大的接觸面積，從而減少電極材料和電解質(zhì)之間的接觸面積，這樣做將使固態(tài)電池具有更高的能量密度。
固態(tài)電池可以在更大的溫度范圍內(nèi)使用。當(dāng)溫度過高時，鋰離子電池的液體電解質(zhì)就會蒸發(fā)，導(dǎo)致電池容量降低。固態(tài)電解質(zhì)則可以將熱量轉(zhuǎn)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(dǎo)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?？傮w上說，固態(tài)電池的工作溫度為-20℃~100℃，因此不太容易受到外部環(huán)境的影響。
在所有電池技術(shù)中，固態(tài)電池技術(shù)被認為是最有前途的技術(shù)之一，因為它具有很高的能量密度。根據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，目前電動車的能量密度已接近500 Wh/kg。據(jù)報道，一些固態(tài)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(tài)電池可以在不增加鋰離子電池質(zhì)量的情況下提高其能量密度。與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，這種固態(tài)電池的質(zhì)量能量密度可提高40%以上。
固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰電池相比，在幾個關(guān)鍵方面存在著優(yōu)勢。一是安全性。固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)，相對于液態(tài)電解質(zhì)的鋰電池，具備更高的熱穩(wěn)定性和耐沖擊性，能夠有效減少電池?zé)崾Э睾捅ǖ娘L(fēng)險。二是能量密度。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)，其能夠提供更高的離子導(dǎo)電性，從而實現(xiàn)更高的儲能能力。這意味著固態(tài)電池可以提供更長的續(xù)航里程和更大的能量存儲容量。三是循環(huán)壽命。固態(tài)電解質(zhì)不容易發(fā)生電解質(zhì)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(yīng)性。由于固態(tài)電池使用了固態(tài)電解質(zhì)，因此可以在更大的溫度范圍內(nèi)工作，適應(yīng)更極端的氣候環(huán)境。
然而在短期內(nèi)，傳統(tǒng)鋰電池仍然是主流能源存儲技術(shù)，而固態(tài)電池則被認為是未來的發(fā)展方向。
“固態(tài)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(yè)界引起廣泛關(guān)注。
2023年7月初，燃油車市場頭部企業(yè)、一直并不看好新能源汽車的豐田與在液態(tài)鋰離子電池市場節(jié)節(jié)敗退的松下電池，宣稱已可以生產(chǎn)固態(tài)電池。成本、重量、體積均實現(xiàn)減半，充電最多10分鐘，續(xù)航就能達到1200km，同時稱“量產(chǎn)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(yè)的公開質(zhì)疑。
據(jù)悉,就在豐田之前，衛(wèi)藍新能源已生產(chǎn)出“360Wh/kg鋰電池電芯”。該電芯采用半固態(tài)電解液、硅碳復(fù)合負極材料、超高鎳正極材料，單體能量密度達360Wh/kg，續(xù)航里程可達1000公里，但衛(wèi)藍并沒有宣稱這就是固態(tài)電池。
據(jù)中科院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高預(yù)測，2025年是液態(tài)電池向固態(tài)電池過渡的關(guān)鍵期，而2030年應(yīng)該是轉(zhuǎn)向全固態(tài)電池發(fā)展的一個關(guān)鍵節(jié)點。在2030年前，液態(tài)電池及半固態(tài)電池等現(xiàn)有的鋰電技術(shù)仍將占據(jù)市場絕對主導(dǎo)地位。也就是說，“全固態(tài)電池要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并對市場格局產(chǎn)生重要影響，仍然需要10年左右的時間?！?/span>
蔚來總裁秦力洪曾說，半固態(tài)電池成本很高，一個電池包相當(dāng)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(tài)電池產(chǎn)業(yè)化必須解決的難題。
寧德時代董事長曾毓群曾表示：“固態(tài)電池有很多科學(xué)及技術(shù)的基礎(chǔ)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(shù)可行性和市場競爭力的產(chǎn)品?！?/span>
針對豐田宣布可生產(chǎn)固態(tài)電池的說法，寧德時代首席科學(xué)家吳凱則表示，全固態(tài)電池目前還有些行業(yè)核心問題亟待解決?！叭绻S田說今天可以量產(chǎn)全固態(tài)電池，我是持懷疑態(tài)度的，目前全行業(yè)誰都不具備量產(chǎn)全固態(tài)電池的能力。至于到2027年能否量產(chǎn)，作為技術(shù)人員，我也很難說得準(zhǔn)確?！?/span>
簡言之，目前全固態(tài)電池是實驗室研究狀態(tài)，量產(chǎn)和商業(yè)化還面臨著諸多難題。
雖然與鋰離子電池相比，固態(tài)電池的技術(shù)路線并不神秘，但卻是目前最為昂貴、最難實現(xiàn)量產(chǎn)的技術(shù)之一。
固態(tài)電池的主要技術(shù)難點在于電極材料和電解質(zhì)材料。據(jù)了解，目前商業(yè)化的固態(tài)電池主要采用聚合物電解質(zhì)，如鋰離子聚合物電池中使用的液體電解質(zhì)，包括 LiNi0.5 Co0.5O2和Li2O1.5 Ni1.5 Co1.5O2。實際上，全球知名企業(yè)均已布局固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。
在國內(nèi)，比亞迪、寧德時代等企業(yè)紛紛開始布局固態(tài)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(tài)電池于2023年8月正式量產(chǎn)；寧德時代則通過與韓國 LG化學(xué)合作的方式，在固態(tài)電池技術(shù)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(fā)一種固態(tài)電池，將使用液態(tài)鋰離子電池作為其車載動力系統(tǒng)；日本松下公司則是與豐田汽車公司合作，在研發(fā)固態(tài)電池方面進行了長期的技術(shù)積累。
固態(tài)電池在安全性方面與現(xiàn)有的液態(tài)鋰離子電池相比，主要存在如下問題：一方面，由于固態(tài)電解質(zhì)是半絕緣體，在充放電過程中不會產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)；另一方面，固態(tài)電解質(zhì)在生產(chǎn)和使用過程中存在缺陷，容易發(fā)生斷裂、分解等現(xiàn)象。但總體安全性上仍高于液態(tài)鋰離子電池。
固態(tài)電池的可靠性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是不存在液態(tài)電解質(zhì)與隔膜之間的化學(xué)反應(yīng)；二是不存在液態(tài)電解質(zhì)與負極之間的化學(xué)反應(yīng)；三是不會發(fā)生電解液和負極之間的化學(xué)反應(yīng)。
盡管固態(tài)電池在安全性與可靠性方面優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池，但其成本較高、制備工藝復(fù)雜，是其目前產(chǎn)業(yè)化的難題。
固態(tài)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(gòu)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(tài)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(chǎn)難度，也需要時間由市場消化高昂的價格。此外，由于固態(tài)電池的負極采用的是聚合物電解質(zhì)，成本也會有所提高。
并不是用上某種材料就能出現(xiàn)性能的大幅提高，僅在材料系統(tǒng)，做出微小的改變，也需要其他材料以及結(jié)構(gòu)適配，怎么找到最好的配合系列，要經(jīng)過千百次的試驗才行。
從工藝上來說，并不是替換液態(tài)電解質(zhì)那么簡單。由于固態(tài)電池在固態(tài)電解質(zhì)和電極兩個層面都有材料，因此其生產(chǎn)工藝與液態(tài)電池有很大不同。雖然固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝已經(jīng)相對成熟，但由于是全新的體系，其生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)電池的生產(chǎn)工藝仍然存在一定差異。
現(xiàn)階段，固態(tài)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(diào)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(tài)電解質(zhì)薄膜；在涂布法中，可將固態(tài)電解質(zhì)與電解質(zhì)薄膜復(fù)合在一起進行涂布；在熔融共混法中，將固體電解質(zhì)與固體電解質(zhì)膜進行熔融共混后涂布。
同時，需要對固態(tài)電池進行組裝和封裝。目前，固態(tài)電池主要采用軟包、圓柱和方形三種形態(tài)。其中，軟包電池已經(jīng)在部分車型中得到應(yīng)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(tài)電池由于其成本高昂，并面臨氫燃料電池的發(fā)展競爭，已限制了其發(fā)展?jié)摿?。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(chǎn)也可持續(xù)。固態(tài)電池的成本高于鋰電池是不爭的事實。
總結(jié)起來說，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化難題主要在以下幾方面。
一是固態(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性。固態(tài)電池的核心是固態(tài)電解質(zhì)，該電解質(zhì)必須具備高離子導(dǎo)電性和良好的穩(wěn)定性。然而，目前的固態(tài)電解質(zhì)材料仍存在高溫或高電壓環(huán)境下容易分解、電解質(zhì)與電極界面的相互作用等難題。這些問題限制了固態(tài)電池的循環(huán)壽命和安全性能。
二是電極材料的選用和匹配。固態(tài)電解質(zhì)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(tài)電解質(zhì)相容性較好的電極材料。
三是電池制造工藝與成本。固態(tài)電池的制造工藝相對復(fù)雜，需要控制高溫下材料的合成和組裝過程。此外，由于固態(tài)電池材料相對較新且生產(chǎn)規(guī)模較小、成本較高，需要進一步降低成本才能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
四是安全性和可靠性。固態(tài)電池的高安全性是其優(yōu)勢之一，然而在大規(guī)模應(yīng)用中，需要確保電池能夠在各種條件下穩(wěn)定工作。特別是在高溫或高電流的情況下，需要解決電解質(zhì)不穩(wěn)定、電極材料脫落等問題，確保固態(tài)電池的安全性和可靠性。
五是規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)。如何將固態(tài)電池的研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為大規(guī)模的生產(chǎn)技術(shù)也是一個挑戰(zhàn)。需要發(fā)展高效的制造工藝，提高生產(chǎn)效率和降低成本，并建立可靠的供應(yīng)鏈體系。
近日，特斯拉 CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）表示，特斯拉在研發(fā)固態(tài)電池方面取得了重大進展。在此前后，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所和中國科學(xué)院金屬研究所，在固態(tài)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(tài)電池的相關(guān)實驗研究。
在固態(tài)電池方面，美國相關(guān)研究集中于聚合物電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)的性能提升上；德國主要聚焦于固態(tài)電解質(zhì)中的離子導(dǎo)電率及穩(wěn)定性研究；中國主要集中于固態(tài)電解質(zhì)中鋰離子電導(dǎo)率及界面穩(wěn)定性研究。
隨著技術(shù)不斷成熟，固態(tài)電池將在新能源汽車、儲能、消費電子等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為實現(xiàn)從汽車大國向汽車強國轉(zhuǎn)變提供重要支撐。
當(dāng)然，固態(tài)電池作為一種新興的能源存儲技術(shù)，在未來產(chǎn)業(yè)化方面具有廣闊前景，并不僅僅局限在新能源汽車領(lǐng)域。
一是電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用。電動汽車是固態(tài)電池在未來的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。固態(tài)電池具有高能量密度、長循環(huán)壽命和高安全性等優(yōu)勢，可以提高電動汽車的續(xù)航里程和充電速度，并降低電池的故障和火災(zāi)風(fēng)險。隨著電動汽車市場的快速增長，固態(tài)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(shè)備和可穿戴設(shè)備。固態(tài)電池也具有在移動設(shè)備和可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。固態(tài)電池相比傳統(tǒng)鋰電池具有更高的能量密度和更長的循環(huán)壽命，可以延長移動設(shè)備和可穿戴設(shè)備的使用時間，并提供更穩(wěn)定的電源供應(yīng)。
三是能源存儲系統(tǒng)。固態(tài)電池可以應(yīng)用于能源存儲系統(tǒng)，支持可再生能源的儲能和分發(fā)，在電網(wǎng)儲能和家庭能源存儲等應(yīng)用中具有潛力。
四是航空航天領(lǐng)域。固態(tài)電池在航空航天領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景，可以滿足航空航天領(lǐng)域?qū)τ诟咝阅茈姵氐男枨蟆?/span>
2023年7月15日，日本東京工業(yè)大學(xué)特聘教授菅野了次等人組成的研究團隊發(fā)布消息，通過重新開發(fā)基礎(chǔ)材料、重新研究制造工藝等方式，成功提高了全固態(tài)電池的快速充電性能和容量?？焖俪潆娦阅苤笜?biāo)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(tài)電池產(chǎn)業(yè)化大幕已經(jīng)開啟，誰能率先商業(yè)化應(yīng)用，誰將占領(lǐng)產(chǎn)業(yè)制高點，讓我們拭目以待。
總之，固態(tài)電池作為一種新興的能源存儲技術(shù)具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。隨著科技的不斷進步，固態(tài)電池將會得到更廣泛的市場化推廣與應(yīng)用，并成為未來能源存儲領(lǐng)域的重要力量。
來源：中國工業(yè)和信息化
作者：孟繁科 原創(chuàng)