祛魅固態電池：一文看懂這項大火的技術

“充電十分鐘，續航1000公里。”這是豐田汽車最近放出的數據，根據他們的規劃，預計2027～2028年推出豐田全固態電池。

最近一段時間內，廠商排着隊研究固態電池，比如特斯拉最新專利披露了一項革命性的固態電池技術突破；預計到2027年，寧德時代實現全固態電池小批量生產；三星SDI宣佈已向客戶交付了首批固態電池產品，並在接下來將進行爲期六個月的測試；SK On和LG新能源分別計劃在2028年和2030年實現全固態電池的商業化；松下計劃於2030年實現全固態動力電池的商業化；通過與QuantumScape合作，大衆汽車在其乘用車的固態電池技術上投入了大量資金，目標是在2025年投產；我國主要動力電池企業全固態電池商業化的時間節點大多是在2026～2030年間。

在如此大熱的行情下，可以說，汽車工程師都要懂點固態電池技術。所以，固態電池究竟是什麼，對比現有技術，它又有什麼優勢？一文讓你看懂。

固態電池，什麼東西固態了？

衆所周知，電池系統除了決定車輛的續航里程外，還會影響車輛的性能、重量、成本和充電要求。所以，“卷電池”就成了車企的必修課。

不得不說，當前的液態鋰電池技術框架已經開始觸及瓶頸，即便採用高鎳三元正極、硅碳負極和先進電解液，其性能提升也將在未來3～5年內達到極限（能量密度上限預計爲350Wh/Kg），就算這樣，依然無法滿足動力電池在安全性、能量密度及成本方面的嚴苛要求。

目前，世界正在押注兩種電池技術作爲未來：一是固態電池，二是燃料電池（比如氫燃料電池），兩大巨人都在決戰未來。

那麼，所謂固態電池，究竟固態在哪？

其實原理很簡單，就是用固體材料代替電解質。在固態電池中，正負極之間不存在液態電解質，而是由固態電解質連接。當電池充電時，正離子從正極移動到負極，同時電子通過外部電路移動。當電池放電時，離子和電子的運動方向相反。

固態鋰電池，屬於第四代鋰電池。

此處的電解質，是鋰電池的四大核心材料之一。在動力電池中，四大核心材料爲正極材料、負極材料、電解液和隔膜，佔總成本將近40%。其它爲電池組材料、外殼材料等。

液態鋰離子電池的主要構成

平時我們所說的三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池，名字都取自正極，指代的是不同的正極材料+硅碳負極+先進液態電解液，主要包括：

液態鋰離子電池的四大核心材料構成

而現在，把電解質從液態變爲固態，命名就更靠近電解質了。

固態電池正極通常由鋰過渡金屬氧化物（包括鋰鐵氧化物LiFeO2、鋰鎳氧化物LiNiO2、鋰鈷氧化物LiCoO2等）或聚陰離子化合物組成；負極由碳基材料或硅基材料組成；固態電解質主要包括無機陶瓷類電解質和有機聚合物電解質兩類，不同電解質擁有不同優缺點，目前主要包括氧化物、聚合物、硫化物三大路線，市場還沒有什麼固定選項。

這樣看起來，和液態鋰電池基本一致，除了電解質。

從液到固，就像魔法一樣

雖然看似只是電解質形態的轉變，但就像施了魔法一樣，給鋰電池帶來許多優勢。

固態電池分爲半固態和純固態兩種，在相同的體積或重量下，固態電池的能量密度越高、電量更多、電池壽命更長、循環壽命更長。

與傳統鋰離子電池相比，固態電池一般能量密度要高出20%，最多可提供2.5倍的能量密度，這意味着它們可以在更小的空間內存儲更多的能量，使它們比其他電池更小、更輕，同時仍提供相同的功率；它們的充電速度比傳統鋰離子電池快大約快5～6倍，這使得它們非常適合對速度至關重要的應用；在某些情況下，使用壽命是傳統鋰離子電池的兩倍以上。

更重要的是，鋰電池一直有個讓人頭大的難題，就是易燃易揮發，發生事故時鋰電池內部會產生大量的熱量。這是因爲液體電解質中的易燃有機溶劑可能會導致電池着火甚至爆炸，相對不穩定。一旦液態鋰電池受到擠壓和衝擊，隔膜就會破裂，導致正負極短路。

固態電池則不包含任何液體成分或可燃材料，因此當其它類型的電池可能發生的火災危險或爆炸時，它們構成的風險要小得多。此外，固態電池比傳統的鋰離子電池更能抵抗極端溫度，因此非常適合在高溫高遠地區或惡劣環境中使用，這些環境的溫度在一天或一年中可能會大幅波動。

誰在造固態電池？

不過，聽起來就是換個電解質的事兒，看似挺簡單的，但做起來比想象中要難上許多。

究其原因，在於固態電池面臨着三個大問題：離子運輸機制、鋰枝晶生長機制、固-固界面問題，加之當前固態電池製造工藝不成熟，阻礙固態電池的廣泛實際應用。

第一批固態電池在1980年代以薄膜的形式製造，但是，製造起來屬實有些困難，導致製造商放棄了它們。隨着技術的發展，固態電池又捲土重來，雖然迄今爲止純固態電池技術仍然不成熟，不過已經有半固態之類的在應用，比如，衛藍新能源和贛鋒鋰電等爲代表的中國企業的半固態電池的量產裝車，標誌着半固態電池在 2023 年實現了經濟學意義上的產業化。

全固態2027年有望實現量產裝車，儘管許多公司聲稱已經實現了性能非常好的固態電池制樣和測試，但到目前爲止，全固態電池仍處於實驗室研究和開發階段，2030年左右進入大規模量產階段。

在技術方向上，日韓起步最早並選擇了硫化物固態電解質路線；歐美選擇氧化物固態電解質路線居多，且均在直接開發鋰金屬負極應用。

中國三種固態電解質路線均有佈局，在開發全固態電池的同時也在大力發展對現有產業更友好的半固態電池。其中企業包括以寧德時代爲代表的電池廠、以衛藍爲代表的新勢力、以金龍羽爲代表的其他行業轉型、以贛鋒鋰業爲代表的上游企業等：

不過，需要注意的是，第一批配備固態電池的電池電動汽車或氫混合動力汽車的購買成本應該比那些集成鋰離子技術的汽車高得多，因爲生產投資必須攤銷。

而我們都知道，汽車市場一直都很卷，想必屆時，不僅會卷電池本身，還會繼續“卷材料”“卷路線”“卷產業鏈”“捲上遊設備”。

更多汽車電子相關精彩內容，歡迎關注訂閱號：汽車開發圈