固态电池的前世今生！

锂电那些事今日头条2024年08月06日 星期二

现如今，电池的应用领域愈发宽泛，人们在享受着电池产品的便捷性同时，对电池应用瓶颈的感受也愈发清晰，包括更宽温域的突破，新材料的实验和研发等等，当然其中最大的瓶颈源于电池安全性能的提升，和更高能量密度的追求。由此，衍生了很多新型的电池技术。

而固态电池就是其中备受关注的新技术，与传统的液态电池相比，固态电池采用了固态电解质，不仅具背更高的安全性和更长的使用寿命，而且能量密度还能得到显著提升。因此，毫不夸张地说，固态电池的研发进展是电池行业最为关注的热点之一。

固态电池简介

固态电池如今尚无十分精准的定义，一般而言，固态电池被定义成一种使用固体电极和固体电解质的电池。

然而，限于技术难度和高昂成本。如今，极少出现电解液为全固态的电池，主流的“固态电池”基本都是液态到固态的过渡阶段。为了更好划分电解液的“固态成分”占比，我们引入wt%（重量百分比）来理解。

半固态、准固态、全固态

根据电解液中液体占比的多少，我们可以将电池划分为半固态电池、准固态电池、全固态电池。

倘若我们用电池液体的重量百分比进行精准描述，半固态电池为5-10wt%，准固态电池0-5wt%，全固态电池0wt%。而他们都可以笼统成为“固态电池”。

固态电池的结构与原理

固态电池相比传统液态电池在结构上主要区别在于隔膜和电解质形态：

电解质形态自不必说，隔膜则是失去作用可以取消。

众所周知，隔膜的作用是在电池的正极和负极之间提供一个离子通道，同时阻止电子的直接传输，确保电池的安全和稳定运行。主要作用是防止正负极短接，造成热失控，而液态电池，由于电解液受到环境影响，容易氧化、腐蚀，造成析晶。析出的叫做“锂枝晶”。

锂枝晶有上述四种形状，末端一般较为尖锐，容易刺破隔膜。而固态电池则是使用固体电解质，不存在析晶问题，也不会使正负极接触，所以隔膜可以取消。

全固态电池与液态电池电池的工作原理基本相同。都是正负极的电子循环往返流动，形成电流进行供电，区别也是在于隔膜，和正负极材料。

而固态电池的材料与液态电池相比存在明显的变化：

固态电池负极材料将从石墨，向新型硅基负极、含锂负极，再向金属锂负极升级。正极从高镍三元，向高电压高镍三元、超高镍三元，再向尖晶石镍锰酸锂、层状富锂基等新型正极材料迭代。

隔膜从传统隔膜，向氧化物涂覆隔膜，再向取消隔膜升级。

固态电池的优点

固态电池相较液态电池优点较多，这里例举一些显著特点。

能耐低温至高温

因为锂离子电池的电解质使用可燃性有机溶剂（溶化不溶于水的物质的液体），所以担心在高温环境下的使用。而全固态电池的电解质不使用可燃性材料，所以在更高温度下也可使用。

而且，在低温下液体电解质中有时离子移动会变得迟钝，电池性能会下降，电压也会下降。而低温下固体电解质也不会像液体般地结冻，所以内部的电阻并不怎么上升，电池性能也并不怎么下降。

可以快速充电

耐高温的优点在快速充电时也很有利。越是快速充电，电池的温度越高，耐高温的全固态电池能比现在的锂离子电池更快速地充电。

寿命长

电池的寿命因电解质的性质而异。因为锂离子电池不利用其他二次电池似的电池反应，所以电极老化少，寿命长，但是长期使用时还是可见电解质的老化。在这一点上，因为全固态电池的电解质比液体的老化更少，所以可进一步延长寿命。

形状的自由度高

为了防止液体漏出，液体电解质在结构上有限制，而全固态电池因为没有这种限制，所以易于小型化、薄型化，还可叠合、折弯使用，可以各种形状使用。

固态电池的应用

由于目前全固态电池少有面世，对于固态电池的应用大部分是基于半固态和准固态电池的性能来进行预判。但是固态电池作为全新的电池技术在应用范围上会非常广。

新能源汽车

首先毫无疑问是近年火爆的新能源汽车赛道，固态电池的能量密度能为汽车提供更强劲、更持久的动力，并且还不用担心漏液和析晶带来的安全问题。当然，固态电池也可能会有其他安全隐患，但是液态电池一些较为尖锐的点能很好规避。

目前，固态电池在新能源汽车的广阔应用前景已初见端倪，当前，半固态电池正逐步实现装车，加速向商业化应用阶段迈进。除长安、广汽外，截至目前，蔚来、宝马、丰田等多家车企已相继宣布固态电池装车时间点。同时，卫蓝新能源、赣锋锂业等电池企业也公开表示，公司业务覆盖固态电池相关产品。

消费电子

固态电池在消费电子领域也有广泛应用，特别是在对安全性要求较高的设备中。例如，智能手机、平板电脑、笔记本电脑和可穿戴设备等。聚合物固态电池因其高能量密度、灵活性和小型化特点，已经在这些设备中得到应用。

固态电池在储能领域具有巨大的潜力。其高安全性和高能量密度使其成为储能系统的理想选择。目前，固态电池在储能领域的应用主要集中在示范性项目，随着技术的进步和成本的降低，未来有望在更广泛的储能系统中得到应用。

无人机对电池的安全性和能量密度有很高的要求。固态电池的高安全性和高能量密度使其在无人机领域具有显著优势。目前，已经有无人机搭载了固态电池，未来随着技术的发展，固态电池在无人机领域的应用将进一步扩大125。

电动垂直起降飞行器（eVTOL）

eVTOL对电池的性能要求极高，包括高能量密度、高功率密度和高安全性。固态电池能够满足这些要求，预计将在eVTOL领域得到广泛应用。政策的支持和市场需求的推动，使得固态电池在eVTOL领域的应用前景广阔46。

3C数码产品

固态电池在3C数码产品中的应用也在不断扩展。聚合物固态电池因其高安全性和高能量密度，已经在一些高端数码产品中得到应用。随着技术的进步，固态电池在3C数码产品中的应用将进一步增加。

总体来说，随着固态电池的技术进步，其应用领域还将呈现更多可能性。

固态电池最新研究方向

目前固态电池研究面临诸多瓶颈和问题，尤其是固态电池产业化的过程面临界面相容性差、电荷传输速率慢、电极体积膨胀等问题，目前基于这些科学家和企业也取得了最新进展。

高导电率固态电解质

最近的研究在开发高导电率的固态电解质材料上取得了重要进展。例如，硫化物固态电解质因其高离子导电率和良好的界面兼容性备受关注。一些研究团队已经成功合成出离子导电率接近液态电解质的硫化物固态电解质。

硫化物固态电解质是一类含硫化合物，具有以下几个显著特点：

高离子导电率

硫化物固态电解质的离子导电率可以达到10^-2到10^-3 S/cm，接近甚至超过某些液态电解质的导电率。这种高导电率使得它们在固态电解质中脱颖而出，能够支持高效的离子传输。

低界面电阻

硫化物固态电解质与电极材料之间的界面电阻较低，能够实现良好的界面兼容性。这有助于减少电池内部的能量损耗，提高整体电池性能。

机械柔韧性

某些硫化物固态电解质具有一定的机械柔韧性，能够更好地适应电池在充放电过程中产生的体积变化，从而延长电池的循环寿命。

近期在硫化物固态电解质研究方面取得的一些重要进展，例如通过掺杂和结构优化，研究人员进一步提升了LGPS材料的导电率和稳定性。还有通过与其他材料复合或掺杂，Li3PS4基材料的性能得到了显著提升。例如，添加氧化物或碳材料可以提高其机械强度和导电性能。

界面相容性

解决固态电解质与电极材料之间的界面问题是固态电池研发中的一个关键挑战。固态电池界面为固-固接触，电导率往往受到电极与电解质界面处高接触电阻的阻碍。电极和电解质物理接触很难做到理想的严丝合缝，制造中会产生空穴，使用中也会产生机械应力；正极和电解质会因电位差形成空间电荷层；电极和电解质之间会发生化学反应，形成CEI/SEI等物质，效果就相当于一堵墙阻碍离子通过。界面问题应该是固态电池最难解决的技术障碍了。目前有些技术如溶胶凝胶、喷涂等可以略微改善，但仍需要更牛逼的技术或方法解决这个难题。

最新的界面工程技术，包括界面涂层、表面处理和界面缓冲层等方法，显著改善了固态电解质与电极之间的界面稳定性和接触电阻，从而提高了电池的整体性能和循环寿命。

作为目前广受关注的新型电池，固态电池固态电池技术以其卓越的安全性、能量密度和长寿命，正在成为电池行业的新宠。它们利用固态电解质取代液态电解液，有效避免了漏液和锂枝晶问题，确保了在极端温度下的性能稳定性。其次，固态电池的快速充电能力及对形状设计的高适应性，预示着其在新能源汽车、消费电子和储能等多个领域的广泛应用潜力。

而面对界面相容性和电荷传输效率的技术挑战，固态电池研究正取得突破，特别是硫化物固态电解质的开发和界面工程技术的进步，为提升电池性能和循环寿命提供了新的解决方案。随着技术的不断成熟和成本效益的提高，固态电池有望在未来能源领域扮演关键角色，引领行业创新和转型。

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