問

為何固態(tài)電池可取代傳統(tǒng)鋰離子電池？

答

傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池又被科學(xué)家們形象地稱為“搖椅式電池”，電池的正負(fù)兩極是搖椅的兩端，中間是液態(tài)電解質(zhì)液。而鋰離子就像優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員，在搖椅的兩端來回奔跑，在鋰離子從正極到負(fù)極再到正極的運(yùn)動(dòng)過程中，電池的充放電過程便完成了。

固態(tài)電池的原理與之相同，只不過其電解質(zhì)為固態(tài)，具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進(jìn)而提升電池容量。因此，同樣的電量，固態(tài)電池體積將變得更小。不僅如此，固態(tài)電池中由于沒有電解液，封存將會變得更加容易，在汽車等大型設(shè)備上使用時(shí)，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等，不僅節(jié)約了成本，還能有效減輕電池包的重量。

傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池與全固態(tài)鋰離子電池示意圖
圖片來源：CNKI

鋰離子電池工作原理

首先，鋰離子電池主要是由正極、負(fù)極、隔膜、電解液組成。正極為含有鋰的化合物（如三元鋰、磷酸鐵鋰等），負(fù)極主要是由石墨材料（如人造石墨、天然石墨等）。

由于鋰是最活潑的金屬，充電時(shí)，鋰離子在電荷的吸引下，會從正極進(jìn)入負(fù)極。負(fù)極中石墨原子一層一層排列整齊，6個(gè)石墨原子可以固定一個(gè)鋰離子，當(dāng)石墨原子之間的空擋全被鋰離子填滿后，充電就完成了。

為了使鋰離子在正負(fù)極之間快速運(yùn)動(dòng)，把電解質(zhì)和有機(jī)溶劑調(diào)配出電解液填充到電池中，但電解液易燃易揮發(fā)，正負(fù)極接觸后，會使活潑的鋰離子發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，再遇到電解液就可能發(fā)生起火或者爆炸。所以，在正負(fù)極之間增加一塊不導(dǎo)電的半透膜，隔絕正負(fù)極材料，而隔膜只允許鋰離子通過，電子只能從外部線路通過。通過化學(xué)反應(yīng)使鋰離子在正負(fù)極之間來回運(yùn)動(dòng)，就實(shí)現(xiàn)了電池的充放電。

但鋰離子電池存在幾個(gè)問題：

第一，電解液易燃易揮發(fā)，一旦泄露就會發(fā)生危險(xiǎn)，尤其是鋰離子在負(fù)極容易形成枝晶，時(shí)間過久，枝晶有可能戳破隔膜，造成短路，使電解液起火；

第二，電解液體積較大，限制了電池的能量密度；

第三，低溫下電解液會更加粘稠，鋰離子活動(dòng)困難，電池掉電會加快，減少續(xù)航里程。

固態(tài)電池工作原理

固態(tài)電池是一種使用固態(tài)電解質(zhì)完全替代傳統(tǒng)液態(tài)電解液及隔膜的電化學(xué)裝置，其核心特征在于離子傳導(dǎo)介質(zhì)為固態(tài)物質(zhì)，電極與電解質(zhì)之間形成固-固界面。固態(tài)電池的工作原理主要基于鋰離子在固態(tài)電解質(zhì)中的遷移機(jī)制。

什么樣的固態(tài)電解質(zhì)可以使鋰離子在正負(fù)極之間來回運(yùn)動(dòng)呢？

固態(tài)電解質(zhì)主要可分為聚合物固態(tài)電解質(zhì)和無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)。聚合物固態(tài)電解質(zhì)的代表性體系是聚環(huán)氧乙烷（PEO），其在離子傳導(dǎo)性和柔韌性方面表現(xiàn)良好。而無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)則包括氧化物、硫化物和鹵化物等不同類型，這些材料通常具有更高的離子導(dǎo)電性和更好的熱穩(wěn)定性，適用于高性能固態(tài)電池的應(yīng)用。

在正極材料選擇上，正極材料在2023年之前多以中鎳三元與磷酸鐵鋰應(yīng)用為主，之后高鎳三元憑借其高能量密度成為了固態(tài)電池正極材料的可選項(xiàng)，鐵鋰技術(shù)路線以高壓密材料以及磷酸錳鐵鋰為技術(shù)發(fā)展趨勢，隨著固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展，正極材料的涂層改性和界面優(yōu)化成為進(jìn)一步優(yōu)化方向，旨在提升材料的電子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散系數(shù)，提升電池整體性能。負(fù)極材料路線，硅基負(fù)極和鋰金屬負(fù)極以其高比容量和低成本潛力成為未來技術(shù)發(fā)展主要趨勢，其中鋰金屬負(fù)極作為固態(tài)電池負(fù)極材料的終極形態(tài)，其高理論比容量和低電極電位為實(shí)現(xiàn)高能量密度固態(tài)電池提供了可能。

與傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池相比，固態(tài)電池在各項(xiàng)參數(shù)上有著較大提升。固態(tài)電池最大的優(yōu)勢在于安全性，固態(tài)電池采用不可燃的固態(tài)電解質(zhì)，徹底消除起火風(fēng)險(xiǎn)，在800℃的高溫下也可以做到不起火不爆炸；固態(tài)電池能量密度較高，目前可達(dá)到400-500Wh/kg，而傳統(tǒng)液態(tài)電池容量最高在200-300Wh/kg，且已經(jīng)接近鋰離子物理極限；固態(tài)電池循環(huán)壽命長，循環(huán)壽命可超5000次；溫度適應(yīng)性高，在-30℃環(huán)境下容量保持率超80%。

下一代動(dòng)力電池的核心方向——固態(tài)電池

在需求端，新能源汽車、低空經(jīng)濟(jì)、機(jī)器人等多重場景共同推動(dòng)固態(tài)電池需求增長。新能源汽車領(lǐng)域普遍預(yù)期全固態(tài)電池將于2026年裝車，2027年實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。低空經(jīng)濟(jì)為固態(tài)電池開辟新市場，中國民用航空局預(yù)測，到2025年中國低空經(jīng)濟(jì)市場規(guī)模將達(dá)1.5萬億元。目前，eVTOL所需電池能量密度需超過300Wh/kg，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)有望迎來快速發(fā)展。同時(shí)，固態(tài)電池也是人形機(jī)器人的最優(yōu)動(dòng)力解決方案，能提供更持久續(xù)航、更高安全性及更靈活的內(nèi)部空間布局。

另外，以固態(tài)電池為代表的新型電池正在重塑國際電池及能源市場競爭格局。固態(tài)電池技術(shù)是發(fā)展兼具高能量密度、高安全性、長壽命及低成本下一代電池的關(guān)鍵保障。當(dāng)前，全球主要國家及地區(qū)均在加速布局固態(tài)電池研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。

日本政府在2015—2024年間投資近2000億日元（約100億元）用于全固態(tài)電池的技術(shù)開發(fā)，并在2022年發(fā)布《蓄電池產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》，計(jì)劃在2030年左右實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化，確保技術(shù)領(lǐng)先地位。

美國能源部（DOE）于2021年發(fā)布了《國家鋰電池藍(lán)圖2021—2030》，指出需要重點(diǎn)關(guān)注全固態(tài)電池相關(guān)的新材料、電極和電池制造方法，并通過Battery500、IONICS、EVs4ALL、Li-Bridge等項(xiàng)目投資超過2億美元（約15億元）資助相關(guān)企業(yè)、高校與科研機(jī)構(gòu)開展下一代電池研發(fā)。

我國在2020年印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035）》中將固態(tài)電池列為重點(diǎn)攻關(guān)方向。2024年，據(jù)中國日報(bào)從多方信源獲悉，我國或?qū)⑼度爰s60億元用于全固態(tài)電池研發(fā)，包括寧德時(shí)代、比亞迪、一汽、上汽、衛(wèi)藍(lán)新能源和吉利共六家企業(yè)或獲得政府基礎(chǔ)研發(fā)支持。

所以，固態(tài)電池發(fā)展得益于政策支持及市場需求等關(guān)鍵因素的共同推動(dòng)，已成為下一代動(dòng)力電池的核心方向，也被視為取代液態(tài)鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)。

信息來源：

革命性突破！現(xiàn)有電動(dòng)汽車將面臨淘汰.固態(tài)電池SSB

太藍(lán)新能源《固態(tài)鋰電池技術(shù)發(fā)展白皮書》

中冶有色技術(shù)平臺、中國日報(bào)、粉體網(wǎng)

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