固态电池的综合指南

固态电池的综合指南

固态电池（单边带） 固态电池正成为下一代储能解决方案，与传统锂离子电池相比，固态电池具有显著的改进。固态电池具有更高的能量密度、更高的安全性和更长的使用寿命，因此越来越受到电动汽车 (EV)、航空航天和医疗设备等各行各业的关注。在本文中，我们探讨了固态电池的基本原理、当前的市场状况、技术挑战、前景及其对各个行业的影响。

什么是固态电池？

锂离子电池因其寿命长、能量密度高而被广泛用作交通运输的动力源，然而近年来，与锂离子电池相关的安全事故频发。

造成这些事故的主要原因是传统液态锂离子电池使用有机溶剂作为电解液，而常见的电解液大多含有易燃物质，容易引发火灾、自燃，甚至爆炸。为了解决这些安全隐患，研究人员和业内人士将目光转向了固态电池，用不易燃的固体电解质取代液态电解质，从而大大提高了电池的安全性。

锂离子电池按电解质可分为液态锂电池与固态电池两大类，固态电池又包括半固态、准固态、全固态等，半固态电池是液态与全固态电池的过渡阶段，半固态电池的商业化为全固态电池产业链的早期发展提供了缓冲期，随着技术的进步，混合固液电池将逐步减少液态电解质的含量，最终实现全固态电池技术。

锂离子电池类别

虽然存在全球标准，但不同地区优先考虑的规范和政策不同，这常常导致国际电池贸易延迟。

1.液态锂电池
仅包含液体电解质，不含固体电解质。包括液态锂离子电池和液态金属锂电池。

2. 凝胶电解质锂电池
   液态锂离子电池的一种子类型，其中电解质为凝胶形式。不含固体电解质。

3.半固态电池
包含固体和液体电解质，液体电解质的比例较高。通常，液体电解质占整个电池成分的 5%–10%。

4.准固态电池
固体电解质比例较高，但仍含有少量液体电解质。液体电解质含量通常在 0%–5% 之间。

5.混合固液锂电池
包含液体和固体电解质的混合物。半固态和准固态电池属于此类。

6.全固态电池
完全由固态电极和固态电解质构成。在任何温度下均不含液体电解质。有时被称为“全固态电解质锂电池”。如果可充电，则可进一步归类为“全固态锂二次电池”。

固态电池的结构比传统的液态电池更简单。固体电解质不仅可以传导锂离子，还可以充当隔膜。在全固态电池中，不需要液体电解质、电解质盐、隔膜或聚偏氟乙烯 (PVDF) 等粘合材料，从而大大简化了电池的构造过程。

固态电池如何工作？

固态电池的工作原理与液态电池类似，充电时锂离子从正极活性物质晶格中脱离，通过固态电解质迁移到负极，电子则通过外电路到达负极，在负极处锂离子和电子重新结合形成锂原子，与负极材料形成合金，或嵌入负极材料内部。放电过程与充电过程正好相反，电子通过外电路为电子设备供电。

液态锂电池、半固态电池、固态电池特性比较。

物业 液态锂离子电池 半固态电池 全固态电池

电解质类型 液体电解质 液态电解质+固体电解质 固体电解质（包括聚合物固体电解质、氧化物固体电解质、硫化物固体电解质等）

阳极材料 石墨阳极或硅碳阳极 石墨阳极或硅碳阳极 石墨阳极、硅碳阳极或金属锂

分隔器 有分隔符 具有涂有固体电解质材料的隔膜 无分隔符

安全性能 安全性相对较差 改善安全性 高安全性

能量密度 高达 300 瓦时/公斤 高达 400 瓦时/公斤 高达 500 Wh/kg 或更高

固态电池有哪些优势？

固态电池更安全

传统锂离子电池采用易燃的有机电解液，在过充或内部短路的情况下，可能会引发过热、自燃甚至爆炸等风险。相比之下，大多数固态电解质具有耐高温和不易燃的特性，大大降低了电池起火或爆炸的风险。不过，从热力学角度来看，没有哪种电池是绝对安全的。电池的实际安全性受多种因素影响，包括电解质和电极材料、制造过程中的质控以及电池管理系统 (BMS)。虽然固态电解质从根本上大大提高了安全性，但生产过程中的质控和 BMS 的有效性仍然至关重要。

能量密度更高的固态电池

半固态电池的能量密度比传统液态电池更高，蔚蓝新能源、国轩高科等公司已经研发出能量密度为 360 Wh/kg 的半固态电池。固态电解质通常具有更宽的电化学窗口，可以兼容更多高压正极材料（如高镍正极和镍锰尖晶石正极）。此外，固态电池的电压更高、安全性更好，可以简化电池管理系统 (BMS)，从而进一步提高电动汽车 (EV) 电池系统的能量密度。

固态电池提供超快充电时间

根据最近的研究，固态电池的充电速度比目前的商用电池技术快六倍。然而，这个数字是不确定的，这取决于新技术的开发和优化方式。目前已经存在充电速度非常快的固态电池原型。然而，它们往往会严重损害其他重要的性能参数，如能量密度、寿命和安全性。为了确定最佳替代方案，我们必须平衡这一优势与这些电池需要具备的其他基本特性——包括成本考虑。

到目前为止，液体电解质在高温下会降解，而固体电解质在高温下性能更佳。这一固有优势表明，固态电池在快速充电周期中可能保持更高的性能，而快速充电周期中的发热量通常较高。

此外，研究人员正在致力于提高固体电解质的离子电导率，以进一步优化充电速度，同时不牺牲安全性或耐用性。

固态电池可实现更灵活的分组设计

固态电池可以采用内部串联配置进行分组。通过在电池内部串联电池电极，可以提高单个电池的电压，达到与串联多个电池相同的电压水平。这种内部串联设计减少了对额外封装的需求，并提高了分组过程的效率。

固态电池有望推动电动汽车电池技术发展

除了安全性和能量密度之外，电动汽车电池系统还需要许多其他功能，例如长循环寿命、宽工作温度范围、抗压和抗振动。固态电池可以通过以下方式满足这些需求：

• 高能量密度： 高能量密度化合物和硫基材料可用作阴极。

• 高体积能量密度： 可以采用致密的薄层电解质和高密度阴极。

• 长循环寿命： 通过控制阳极和阴极的体积膨胀，并保持稳定的界面接触，复合电极、柔性或凝胶状界面等技术可以延长循环寿命。

• 宽温度范围： 超离子导体、固液混合物和先进的热管理技术可以帮助电池在-70°C至150°C的温度范围内运行。

• 提高抗压强度： 非粉化锂金属复合电极和非氧化、不易燃的固态电解质可以提高抗穿刺性。

• 更好的抗震性： 采用柔性材料或减震系统可以提高抗震性。

• 降低成本和量产： 通过提高能量密度和循环寿命，固态电池可以利用现成的原材料，简化制造过程。电极和电解质层更易于加工，从而可以更快地生产电池。

电池应用的基本要求以及固态电池可能的解决方案思路

性能要求 可能的固态电池解决方案

高重量能量密度 使用高能量密度嵌入化合物、硫基材料或空气基阴极。

高体积能量密度 采用致密薄层电解质技术和高致密嵌入式化合物阴极。

寿命长 使用复合电极、柔性材料、非晶结构或凝胶状界面来控制电极的体积膨胀并保持稳定的界面接触。

最小体积变化 实施缓冲机制以适应体积变化，例如复合电极。

宽工作温度范围（-70 至 150°C） 使用超离子导体、固液混合电解质和先进的热管理解决方案。

高功率能力 设计高倍率电极，引入聚合物或无序层结构，优化固液界面，并使用薄膜技术高离子电导率复合材料。

抗压缩和抗穿刺 采用抗粉碎的锂金属复合电极和非氧化、不易燃、不易爆的固体电解质。

抗振性 集成柔性材料或内置减震系统。

过充保护 使用具有较宽电化学稳定性窗口的电解质以及兼容的阴极材料。

过放电保护 选择高度稳定的阳极和阴极材料。

短路电阻 在电池单元内实现内置保险丝和热保护机制。

无内部短路 开发抑制锂枝晶生长和防止击穿的机制。

高能效 尽量减少电极、电解质和界面的界面电阻；减少阴极的电化学和扩散极化。

自放电率低 防止锂枝晶的形成，避免持续的界面反应。

低成本和大规模生产可行性 提高能量密度和循环寿命以降低成本；使用易于获得的原材料；确保电极片和电解质层/膜易于加工；简化电池制造以实现快速生产。

收费标准： 半固态电池单体规模化成本预估为0.5729元/Wh，略低于液态电池单体0.5766元/Wh。半固态电池组件采用传统材料，成本低于液态电池，但生产过程中对环境管控要求较高，略微增加生产成本。

成本比较：半固体电池与液体电池

电池类型 电池BOM成本（元/瓦时） 隔膜/固体电解质膜成本比 电解液/固化剂成本比 总（薄膜+电解质）成本比率 总成本（薄膜+电解液） (元/瓦时)

传统液态电池（三元+碳） 0.5766 7.65% 12.20% 19.85% 0.1145

半固体电池（三元+碳） 0.5729 12.32% 7.02% 19.34% 0.1108

有没有商用的固态电池？

虽然固态电池仍处于开发阶段，但已有多家公司在商业化方面取得了重大进展。目前，大多数固态电池应用仅限于原型和小规模生产，而非大众市场产品。不过，行业领导者和初创公司都在取得令人鼓舞的进展。

2025“中国全固态电池产学研协同创新平台”年会暨第二届中国全固态电池创新发展高峰论坛于2月15日至16日在北京举办。本次论坛聚集了众多行业专家和企业代表，共同探讨全固态电池技术的最新进展与前景。

中国第一汽车集团有限公司首席科学家、一汽研究院（科技创新管理部）高端汽车集成与控制国家重点实验室主任王德平发表主旨演讲，他透露，一汽从2014年开始就致力于全固态电池的研究，并围绕整车需求，计划在2027年开始全固态电池的小规模应用。

欧阳明高院士的产业展望

欧阳明高院士研究站预计，全固态电池将于2030年开始量产，最早将于2027年开始中试生产，预计100年行业总产值将超过14亿元人民币（约2030亿美元）。

比亚迪的全固态电池计划

比亚迪计划到2027年开始小规模生产基于硫化物的全固态电池，并计划到2030年将其整合到主流电动汽车中。

CATL 固态电池进展

CATL（宁德时代）首席科学家吴凯此前曾表示，目前该公司的全固态电池技术处于4/10的水平，而CATL的目标是到7年达到8-2027级水平，实现小规模生产。

EVE Energy 的两阶段战略

EVE Energy 概述了全固态电池开发的两步战略：

2026年：实现工艺突破

2028年：实现技术全面突破，推出高能量密度400Wh/kg全固态电池

走向高科技和长安汽车的固态电池计划

走向高科技：计划于2027年开始固态电池小规模车辆测试，并于2030年实现量产。

长安汽车：2030年将推出XNUMX款自主研发电池电芯，涵盖液态、半固态、固态电池。

随着领先的汽车制造商和电池制造商加快固态电池研发力度，2027 年有望成为小规模生产的关键一年，而 2030 年则标志着大规模商业化的开始。这些发展将提高电动汽车的性能、安全性和能量密度，为下一代电池技术铺平道路。

固态电池的四大关键挑战

技术挑战

固体电解质性能优化

• 离子电导率不足：
  目前固体电解质的离子电导率通常低于液体电解质，尤其是在室温下。这导致充电和放电速度较慢，影响电池的功率性能，难以满足电动汽车快速充电和快速加速等高功率应用的需求。例如，基于氧化物的固体电解质通常具有较低的电导率，限制了它们在高性能电池中的应用。

• 稳定性问题：
  一些固体电解质在电池运行过程中可能会发生结构变化或分解，影响长期稳定性和循环寿命。例如，硫化物基固体电解质对空气高度敏感，可与水分和氧气发生反应，产生有毒的硫化氢气体。这不仅使制造和储存变得复杂，而且还引发安全问题。

• 界面挑战：
  固态电池面临的最大挑战之一是电极与固体电解质之间的界面接触不良。由于固体电解质的刚性特性，电极与电解质之间的接触面积相对较小，导致界面电阻较高。这会降低充电/放电效率，并导致循环过程中界面应力，从而导致分层和脱落，最终降低电池性能和寿命。

电极材料的兼容性

• 电极材料的兼容性
  在固态电池中，正极材料必须与固态电解质高度相容，同时还要具有较高的比容量和良好的倍率性能。然而，常用的正极材料在与固态电解质搭配时可能会发生化学反应或结构降解，从而对电池性能产生负面影响。

• 阳极材料：
  硅基阳极具有极高的理论容量，是固态电池的理想选择。然而，硅在充电和放电过程中体积会大幅膨胀（高达 300%），这可能导致电极开裂和结构损坏，从而缩短电池的循环寿命。

锂金属阳极提供更高的能量密度，但它们面临锂枝晶的形成，锂枝晶会刺穿固体电解质，导致短路和严重的安全风险。

制造工艺挑战

固体电解质膜的制备: 生产高质量、均匀且厚度精确可控的固态电解质膜是固态电池制造的关键步骤。目前的制造方法（例如溶胶-凝胶法、磁控溅射和冷压）面临着诸如工序复杂、成本高、生产效率低等挑战，难以实现大规模生产。

电池组装工艺：固态电池组装必须在无氧、干燥的环境下进行，对生产设备和工艺要求极高，传统锂离子电池组装设备和技术无法直接应用于固态电池制造，需要进行大量改造和工艺优化，从而增加生产成本和复杂性。

连续致密化技术：实现电极层和固态电解质层的连续致密化对于提高电池性能和生产效率至关重要。然而，现有技术在确保致密化均匀性和无缺陷性方面仍面临挑战，这仍然是影响固态电池生产线良率和效率的瓶颈。

成本挑战

原材料成本高：固态电池所用材料（如固体电解质和高性能电极材料）的生产成本比传统锂离子电池更高。例如：

• 硫化物基固体电解质需要昂贵的原材料和复杂的合成工艺，导致其成本相对较高。

• 锂金属负极的生产成本较高，锂资源的供应有限可能会进一步限制其大规模采用。

设备和生产成本高： 由于固态电池制造工艺与传统锂离子电池差别较大，必须开发新型生产设备及专门的生产线，导致资本投入大幅增加，此外，为维持所需的干燥、无氧生产环境，制造商还必须安装专门的辅助设备和设施，进一步推高整体生产成本。

产业链协调挑战

产业链不发达： 固态电池产业尚处于起步阶段，上下游企业之间缺乏有效协同。例如：

• 固体电解质材料供应商与电池制造商之间沟通合作不足，导致材料达不到生产质量和性能要求。

• 生产设备供应商与电池生产商之间的技术融合度较低，阻碍了生产设备的研发和优化，减缓了产业进步。

缺乏标准和法规:目前固态电池技术还缺乏完善的行业标准和规范，产品质量难以评估、性能测试难以进行、安全认证难以保证，也制约了固态电池的大规模商业化和市场普及。

固态电池为未来的能源存储带来了巨大的希望，其安全性、性能和效率均优于传统锂离子电池。尽管仍存在挑战，但材料、制造和成本降低方面的不断进步使这项革命性技术更接近商业现实。随着主要行业参与者在研发方面投入大量资金，固态电池将在未来十年内改变电动汽车、医疗设备和高性能电子产品的格局。