隨著全球對清潔能源的需求不斷增長以及環(huán)保意識的日益增強，新能源產(chǎn)業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機遇。固態(tài)電池作為一種具有高能量密度、高安全性和長循環(huán)壽命等顯著優(yōu)勢的新型電池技術，被廣泛認為是未來電池技術發(fā)展的重要方向，有望成為推動能源轉型和產(chǎn)業(yè)升級的關鍵力量。

一、固態(tài)電池行業(yè)概述?

1、定義與原理?

固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質的電池，與傳統(tǒng)的液態(tài)電解質電池不同，固態(tài)電池在充放電過程中，鋰離子在固體電解質中遷移，實現(xiàn)電荷的存儲和釋放。傳統(tǒng)鋰電池由正極、負極、液態(tài)電解質和隔膜組成，而固態(tài)電池則采用固態(tài)電解質替代了液態(tài)電解質和隔膜，使得電池內(nèi)部結構更加緊湊，安全性更高。在充電過程中，鋰離子從正極脫嵌，通過固體電解質遷移到負極并嵌入其中；放電時，鋰離子則從負極脫嵌，經(jīng)過固體電解質回到正極。這種離子遷移過程在固體電解質中進行，相較于液態(tài)電解質，具有更高的穩(wěn)定性和安全性，能有效避免因液態(tài)電解質泄漏引發(fā)的安全隱患，同時也為提升電池的能量密度提供了可能。

2、發(fā)展歷程?

根據(jù)北京研精畢智信息咨詢調研，固態(tài)電池的發(fā)展歷程可以追溯到 20 世紀初，1831 - 1834 年，Michael Faraday 發(fā)現(xiàn)了固體電解質硫化銀和氟化鉛，為固態(tài)離子學奠定了基礎 ，但在當時，相關技術并未得到進一步的發(fā)展和應用。直到 20 世紀中葉，隨著材料科學的不斷進步，人們開始對固態(tài)電池展開深入研究，多種電化學體系曾使用銀離子固體電解質，但存在內(nèi)阻高、能量密度低、電壓低等主要問題。1969 年，Liang 等首次報道了一種薄膜型全固態(tài)鋰離子電池，采用 LiI 作為電解質。不久，另一種基于 LiI 的全固態(tài)薄膜電池實現(xiàn)商業(yè)化，并成功用于心臟起搏器，但當時的電池為一次電池，無法充電，且絕對容量較低，難以廣泛應用。?

1983 年，日本東芝公司宣布開發(fā)了一款可實用的二次薄膜電池 Li/Li3.6Si0.6P0.4O4/TiS2，該電池在 3μA/cm² 的電流密度下單位面積容量可達到 150μA?h/cm²，隨后，人們逐漸開始研究無機全固態(tài)薄膜鋰電池，日本 NTT、美國 Union Carbide 等公司也相繼報道了各自的進展。1992 年，美國橡樹嶺國家實驗室的 Bates 等成功研制出一種無機固態(tài)薄膜電解質 LiPON，并推出多種薄膜鋰電池的正負極體系，如 Li/LiPON/LiCoO2、SiTON/LiPON/LiCoO2、Li/LiPON/LiMn2O4 等，電池工作在 2 - 5V 范圍，工作電流密度可達 10mA/cm²，且表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能（10000 次），該實驗室與 ITN 公司合作推出商業(yè)化的薄膜鋰電池，推動了全固態(tài)薄膜鋰電池的研究。?

進入 21 世紀，隨著電動汽車和移動電子設備等領域對電池性能要求的不斷提高，固態(tài)電池技術再次成為研究熱點，各大汽車廠商和開發(fā)商開始對固態(tài)電池技術產(chǎn)生越來越大的興趣，投入大量資源進行研發(fā)，眾多科研機構和企業(yè)在固態(tài)電解質材料、電池結構設計等方面取得了一系列重要突破。2016 - 2019 年期間，固態(tài)電池專利增長率為 45%，且全球有幾十家企業(yè)機構投身固態(tài)電池技術的研發(fā)。截至 2023 年，具有潛力的固態(tài)電解質材料包含聚合物、硫化物和氧化物。2024 年 4 月，重慶太藍新能源公司成功研發(fā)并制造出全球首款符合車規(guī)標準的全固態(tài)鋰金屬電池，其單體容量達到了創(chuàng)紀錄的 120Ah，經(jīng)實測其能量密度高達 720Wh/Kg，一舉刷新了體積型鋰電池在單體容量和能量密度方面的全球紀錄。2024 年 10 月，北京純鋰新能源科技公司投資建設的中國首條全固態(tài)鋰電池量產(chǎn)線正式投產(chǎn)。?

二、固態(tài)電池行業(yè)優(yōu)勢?

1、安全性大幅提升?

據(jù)研精畢智信息咨詢發(fā)布的調研報告指出，固態(tài)電池在安全性方面相較于傳統(tǒng)液態(tài)電池有著顯著的提升，傳統(tǒng)液態(tài)電池采用液態(tài)電解質，這種電解質具有易燃性，一旦電池發(fā)生碰撞、過熱或短路等情況，液態(tài)電解質容易泄漏并引發(fā)起火、爆炸等嚴重安全事故。熱失控是傳統(tǒng)液態(tài)電池安全事故的主要原因之一，當電池內(nèi)部溫度過高時，負極 SEI 膜分解，繼而隔膜分解熔化，導致負極與電解液發(fā)生反應，隨之正極和電解質發(fā)生分解，引發(fā)大規(guī)模的內(nèi)短路，造成電解液燃燒，進而蔓延到其他電芯，造成嚴重的熱失控。?

而固態(tài)電池使用固態(tài)電解質代替液態(tài)電解質，固態(tài)電解質具有不可燃、無腐蝕、無揮發(fā)等特性，從根本上消除了液態(tài)電解質泄漏帶來的安全隱患。同時，固態(tài)電解質還能夠抑制鋰枝晶的生長。在傳統(tǒng)液態(tài)電池中，鋰枝晶在充放電過程中可能會逐漸生長并刺穿隔膜，導致正負極短路，引發(fā)安全問題。而固態(tài)電解質的高機械強度和穩(wěn)定性可以有效阻擋鋰枝晶的生長，降低短路風險，從而大幅提升電池的安全性。例如，在針刺試驗中，傳統(tǒng)液態(tài)電池往往會出現(xiàn)起火、爆炸等劇烈反應，而固態(tài)電池則能夠保持穩(wěn)定，不會發(fā)生起火、爆炸等危險情況，這充分展示了固態(tài)電池在安全性方面的巨大優(yōu)勢。?

2、能量密度顯著提高?

能量密度是衡量電池性能的重要指標之一，它直接關系到電子設備或電動汽車的續(xù)航能力。固態(tài)電池在能量密度方面具有明顯的優(yōu)勢，能夠顯著提高設備的續(xù)航表現(xiàn)。傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池能量密度通常在 200 - 300Wh/kg 左右，而固態(tài)電池理論上的能量密度可達 400 - 600Wh/kg，甚至更高。?

固態(tài)電池能量密度提升的原因主要有以下幾點：一方面，固態(tài)電解質的使用使得電池內(nèi)部結構更加緊湊，在相同體積或重量下，可以容納更多的活性物質，從而提高了能量密度。另一方面，固態(tài)電池可以適配更高比容量的正負極材料，如硅基、鋰金屬負極等。以硅基負極為例，其理論容量高達 3580mAh/g，遠高于石墨負極的 372mAh/g。這些高比容量材料的應用，為提升電池能量密度提供了有力支持。此外，固態(tài)電池電芯內(nèi)部可實現(xiàn)先串聯(lián)后封裝，減少了封裝材料的使用，進一步提高了電池的能量密度。?

眾多汽車制造商已經(jīng)開始積極研發(fā)和應用固態(tài)電池技術，以提升電動汽車的續(xù)航里程。奔馳與美國電池初創(chuàng)公司 Factorial Energy 共同開發(fā)的新型固態(tài)電池 Solstice，能量密度高達 450Wh/kg，預計可使電動汽車續(xù)航能力提升 80%，續(xù)航里程達到 1000km。智己 L6 搭載的第一代光年固態(tài)電池，電量達磷酸鐵鋰的 160％以上，可實現(xiàn)超 1000km 續(xù)航。這些案例充分展示了固態(tài)電池在提升能量密度和續(xù)航里程方面的巨大潛力，有望為電動汽車行業(yè)帶來新的突破和發(fā)展。?

3、循環(huán)壽命長?

循環(huán)壽命是指電池在一定的充放電條件下，能夠保持一定容量的充放電次數(shù)。固態(tài)電池在循環(huán)壽命方面表現(xiàn)出色，相較于傳統(tǒng)液態(tài)電池，具有更長的使用壽命。傳統(tǒng)液態(tài)電池在充放電過程中，由于鋰離子在正負極之間的反復嵌入和脫出，會導致電極材料的結構逐漸發(fā)生變化，同時電解液也會逐漸分解，這些因素都會導致電池容量逐漸衰減，循環(huán)壽命縮短。一般來說，傳統(tǒng)液態(tài)電池的循環(huán)壽命在 1000 - 2000 次左右。?

而固態(tài)電池使用固態(tài)電解質，避免了液態(tài)電解質的分解問題，同時固態(tài)電解質與電極材料之間的界面穩(wěn)定性更好，能夠有效抑制電極材料的結構變化，從而減少電池容量的衰減，延長循環(huán)壽命。例如，哈工大潘欽敏教授通過在丁二腈基電解質中引入聚（2 - 丙烯酰胺基 - 2 - 甲基丙磺酸鋰）(PAMPSLi) 分子刷來實現(xiàn)丁二腈的構象反轉，穩(wěn)定陽極 / 電解質界面，使用這種電解質組裝的固態(tài) Li||LiFePO4 電池展示出 115.0mAh/g 的放電比容量和相當長的循環(huán)壽命（在 3C 下循環(huán) 1500 次）。衛(wèi)藍新能源的固態(tài)電池 SHS165 - 280 循環(huán)壽命長達 6000 次。?

固態(tài)電池循環(huán)壽命長的優(yōu)勢在實際應用中具有重要意義。對于電動汽車來說，更長的循環(huán)壽命意味著電池更換的頻率降低，從而降低了使用成本，提高了車輛的經(jīng)濟性和實用性。對于儲能系統(tǒng)等其他應用領域，長循環(huán)壽命的固態(tài)電池也能夠減少設備的維護和更換成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。?

4、工作溫度范圍廣?

固態(tài)電池在工作溫度范圍方面具有明顯的優(yōu)勢，能夠在更廣泛的溫度條件下穩(wěn)定工作。傳統(tǒng)液態(tài)電池的工作溫度范圍相對較窄，一般在 - 20℃ - 60℃之間。在低溫環(huán)境下，液態(tài)電解質的粘度會增加，鋰離子的遷移速度變慢，導致電池的內(nèi)阻增大，容量降低，充放電性能變差。在高溫環(huán)境下，液態(tài)電解質容易揮發(fā)、分解，加速電池的老化和性能衰減，甚至可能引發(fā)安全問題。?

而固態(tài)電池由于使用固態(tài)電解質，其物理和化學性質相對穩(wěn)定，受溫度影響較小。固態(tài)電解質在低溫下不會出現(xiàn)粘度增加的問題，鋰離子仍然能夠保持較快的遷移速度，使得電池在低溫環(huán)境下仍能保持較好的充放電性能和容量。在高溫環(huán)境下，固態(tài)電解質也不會揮發(fā)、分解，能夠有效避免電池性能的快速衰減和安全隱患。例如，武漢未來院郭新團隊研發(fā)的固態(tài)電池采用高安全性的固體材料，從零下 40℃到 120℃都能正常工作。鵬輝能源第一代固態(tài)電池在 - 20℃ - 85℃溫度環(huán)境，均可穩(wěn)定充放電循環(huán)，實現(xiàn)了極端環(huán)境下正常工作，適用于極寒到酷暑各種復雜氣候。?

固態(tài)電池工作溫度范圍廣的優(yōu)勢使其在許多特殊環(huán)境和應用場景中具有更大的優(yōu)勢。在極地、沙漠等極端氣候條件下使用的電子設備和電動汽車，固態(tài)電池能夠更好地適應環(huán)境溫度變化，保證設備的正常運行。在航空航天、軍事等領域，對電池的工作溫度范圍和穩(wěn)定性要求極高，固態(tài)電池的出現(xiàn)為這些領域的設備提供了更可靠的能源解決方案。

三、固態(tài)電池行業(yè)技術路線與進展?

1、主流技術路線?

目前，固態(tài)電池的研發(fā)主要聚焦于聚合物電解質、氧化物電解質和硫化物電解質這三條主流技術路線，它們在性能、制備工藝和應用前景等方面各有優(yōu)劣。?

2、聚合物電解質?

聚合物電解質具有良好的機械性能，質地柔軟且富有彈性，能夠適應電池在不同工況下的形變，有效避免因電池內(nèi)部應力集中而導致的結構損壞，為電池的長期穩(wěn)定運行提供了保障。此外，聚合物電解質在工藝兼容性方面表現(xiàn)出色，與現(xiàn)有的電池制造工藝和設備具有較高的適配性，這使得電池生產(chǎn)企業(yè)在采用聚合物電解質時，無需對現(xiàn)有生產(chǎn)線進行大規(guī)模改造，從而降低了生產(chǎn)成本和技術門檻，有利于快速實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。?

然而，聚合物電解質也存在一些明顯的缺點，其中最為突出的是室溫離子電導率較低。在室溫條件下，聚合物電解質的離子電導率通常在 10?? - 10??S/cm 之間，這遠遠低于液態(tài)電解質的離子電導率（10?² - 10?¹S/cm），導致電池的充放電速度較慢，無法滿足一些對快速充放電性能要求較高的應用場景。為了解決這一問題，研究人員采取了多種改進措施，如對聚合物基體進行改性，引入特殊的官能團或結構，以提高聚合物的離子傳導能力；添加增塑劑，降低聚合物的結晶度，增加離子的遷移率；與無機納米粒子復合，利用無機粒子的高離子傳導性和特殊界面效應，協(xié)同提高電解質的離子電導率。?

3、氧化物電解質?

氧化物電解質具有較高的化學穩(wěn)定性，在空氣中不易與水分和氧氣發(fā)生反應，能夠有效避免電解質的分解和性能劣化，保證電池在不同環(huán)境條件下的長期穩(wěn)定性。同時，氧化物電解質還具有較高的機械強度，能夠有效抑制鋰枝晶的生長。在電池充放電過程中，鋰枝晶的生長可能會導致電池短路和安全事故，而氧化物電解質的高機械強度可以提供足夠的阻力，阻止鋰枝晶的穿透，提高電池的安全性。?

但是，氧化物電解質也面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，其離子電導率相對較低，尤其是在室溫下，離子電導率一般在 10?? - 10??S/cm 之間，這在一定程度上限制了電池的充放電性能和倍率性能。其次，氧化物電解質通常硬度較高，在與電極材料復合時，難以形成良好的界面接觸，導致界面阻抗較大，影響電池的整體性能。為了克服這些問題，研究人員通過優(yōu)化制備工藝，如采用溶膠 - 凝膠法、脈沖激光沉積法等，精確控制氧化物電解質的微觀結構和組成，以提高離子電導率；同時，開發(fā)新型的界面修飾技術，在氧化物電解質與電極之間引入緩沖層或進行表面改性，改善界面接觸，降低界面阻抗。?

4、硫化物電解質?

硫化物電解質在眾多固態(tài)電解質中具有顯著的性能優(yōu)勢，其最突出的特點是具有極高的離子電導率。在室溫下，一些硫化物電解質的離子電導率可以達到 10?³S/cm 數(shù)量級，甚至更高，接近或超過液態(tài)電解質的離子電導率水平。這使得硫化物固態(tài)電池在充放電過程中能夠實現(xiàn)快速的離子傳輸，具備出色的充放電性能和高倍率性能，能夠滿足電動汽車等對電池性能要求苛刻的應用場景。此外，硫化物電解質具有較好的機械加工性能，能夠通過熱壓、溶液澆注等多種方法制備成不同形狀和厚度的電解質膜，便于與電極材料進行集成，有利于實現(xiàn)電池的小型化和規(guī)模化生產(chǎn)。而且，硫化物電解質與電極材料之間能夠形成良好的界面接觸，有效降低界面電阻，進一步提高電池的性能。這些優(yōu)勢使得硫化物電解質在全固態(tài)電池中展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?，被廣泛認為是未來固態(tài)電池技術的重要發(fā)展方向之一。?

然而，硫化物電解質也存在一些亟待解決的問題。其化學穩(wěn)定性較差，容易與空氣中的水分和氧氣發(fā)生反應，生成有毒的硫化氫氣體。這不僅會影響電池的性能和壽命，還對生產(chǎn)、儲存和使用環(huán)境提出了極高的要求，增加了成本和安全風險。此外，硫化物電解質與鋰金屬負極之間的界面反應較為劇烈，在充放電過程中，界面處容易形成不穩(wěn)定的界面層，導致電池性能下降。針對這些問題，研究人員致力于開發(fā)新型的封裝材料和技術，提高硫化物電解質的抗環(huán)境干擾能力；同時，通過界面修飾和優(yōu)化電極材料，改善硫化物電解質與鋰金屬負極之間的兼容性，抑制界面反應，提升電池的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。?

5、技術進展與突破?

近年來，固態(tài)電池在關鍵性能指標方面取得了一系列令人矚目的突破，這些進展為固態(tài)電池的商業(yè)化應用奠定了堅實的基礎。?

在能量密度方面，眾多科研機構和企業(yè)不斷探索創(chuàng)新，取得了顯著成果。贛鋒鋰業(yè)開發(fā)的固態(tài)電池能量密度達到 420Wh/kg，循環(huán)壽命超過 700 次，并成功研制出能量密度 500Wh/kg 的樣品。奔馳與美國電池初創(chuàng)公司 Factorial Energy 共同開發(fā)的新型固態(tài)電池 Solstice，采用鋰金屬負極、硫化物固態(tài)電解質，能量密度高達 450Wh/kg ，預計可使電動汽車續(xù)航能力提升 80%，續(xù)航里程達到 1000km。這些高能量密度的固態(tài)電池，不僅能夠滿足電動汽車長續(xù)航的需求，還為航空航天、無人機等領域的發(fā)展提供了更強大的能源支持。?

循環(huán)壽命是衡量電池性能的另一個重要指標，也有了明顯的提升。哈工大潘欽敏教授通過在丁二腈基電解質中引入聚（2 - 丙烯酰胺基 - 2 - 甲基丙磺酸鋰）(PAMPSLi) 分子刷來實現(xiàn)丁二腈的構象反轉，穩(wěn)定陽極 / 電解質界面，使用這種電解質組裝的固態(tài) Li||LiFePO4 電池展示出 115.0mAh/g 的放電比容量和相當長的循環(huán)壽命（在 3C 下循環(huán) 1500 次）。衛(wèi)藍新能源的固態(tài)電池 SHS165 - 280 循環(huán)壽命長達 6000 次。循環(huán)壽命的延長，降低了電池的更換頻率和使用成本，提高了電池的經(jīng)濟性和實用性，使得固態(tài)電池在儲能系統(tǒng)、電動汽車等領域的應用更加可行和可持續(xù)。?

除了能量密度和循環(huán)壽命，固態(tài)電池在其他關鍵性能指標上也有突破。武漢未來院郭新團隊研發(fā)的固態(tài)電池采用高安全性的固體材料，從零下 40℃到 120℃都能正常工作 ，解決了傳統(tǒng)電池在極端溫度環(huán)境下性能下降的問題，拓寬了固態(tài)電池的應用場景。鵬輝能源第一代固態(tài)電池在 - 20℃ - 85℃溫度環(huán)境，均可穩(wěn)定充放電循環(huán)，實現(xiàn)了極端環(huán)境下正常工作，適用于極寒到酷暑各種復雜氣候。這些技術突破，使得固態(tài)電池在性能上逐漸接近甚至超越傳統(tǒng)液態(tài)電池，為其大規(guī)模商業(yè)化應用帶來了曙光。隨著技術的不斷進步和創(chuàng)新，固態(tài)電池有望在未來能源領域發(fā)揮更加重要的作用，推動電動汽車、儲能等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

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