中國粉體網訊  為什么固態電池可以取代傳統鋰離子電池？

傳統的液態鋰離子電池又被科學家們形象地稱為“搖椅式電池”，電池的正負兩極是搖椅的兩端，中間是液態電解質液。而鋰離子就像優秀的運動員，在搖椅的兩端來回奔跑，在鋰離子從正極到負極再到正極的運動過程中，電池的充放電過程便完成了。

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

傳統液態鋰離子電池與全固態鋰離子電池示意圖

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，鋰離子在電荷的吸引下，會從正極進入負極。負極中石墨原子一層一層排列整齊，6個石墨原子可以固定一個鋰離子，當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極之間快速運動，把電解質和有機溶劑調配出電解液填充到電池中，但電解液易燃易揮發，正負極接觸后，會使活潑的鋰離子發生劇烈的化學反應，再遇到電解液就可能發生起火或者爆炸。所以，在正負極之間增加一塊不導電的半透膜，隔絕正負極材料，而隔膜只允許鋰離子通過，電子只能從外部線路通過。通過化學反應使鋰離子在正負極之間來回運動，就實現了電池的充放電。

但鋰離子電池存在幾個問題，第一，電解液易燃易揮發，一旦泄露就會發生危險，尤其是鋰離子在負極容易形成枝晶，時間過久，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，鋰離子活動困難，電池掉電會加快，減少續航里程。

固態電池工作原理

固態電池是一種使用固態電解質完全替代傳統液態電解液及隔膜的電化學裝置，其核心特征在于離子傳導介質為固態物質，電極與電解質之間形成固-固界面。固態電池的工作原理主要基于鋰離子在固態電解質中的遷移機制。

什么樣的固態電解質可以使鋰離子在正負極之間來回運動呢？

固態電解質主要可分為聚合物固態電解質和無機固態電解質。聚合物固態電解質的代表性體系是聚環氧乙烷（PEO），其在離子傳導性和柔韌性方面表現良好。而無機固態電解質則包括氧化物、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電性和更好的熱穩定性，適用于高性能固態電池的應用。

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用為主，之后高鎳三元憑借其高能量密度成為了固態電池正極材料的可選項，鐵鋰技術路線以高壓密材料以及磷酸錳鐵鋰為技術發展趨勢，隨著固態電池技術的發展，正極材料的涂層改性和界面優化成為進一步優化方向，旨在提升材料的電子電導率和離子擴散系數，提升電池整體性能。負極材料路線，硅基負極和鋰金屬負極以其高比容量和低成本潛力成為未來技術發展主要趨勢，其中鋰金屬負極作為固態電池負極材料的終極形態，其高理論比容量和低電極電位為實現高能量密度固態電池提供了可能。

與傳統液態鋰離子電池相比，固態電池在各項參數上有著較大提升。固態電池最大的優勢在于安全性，固態電池采用不可燃的固態電解質，徹底消除起火風險，在800℃的高溫下也可以做到不起火不爆炸；固態電池能量密度較高，目前可達到400-500Wh/kg，而傳統液態電池容量最高在200-300Wh/kg，且已經接近鋰離子物理極限；固態電池循環壽命長，循環壽命可超5000次；溫度適應性高，在-30℃環境下容量保持率超80%。

下一代動力電池的核心方向——固態電池

在需求端，新能源汽車、低空經濟、機器人等多重場景共同推動固態電池需求增長。新能源汽車領域普遍預期全固態電池將于2026年裝車，2027年實現小批量生產。低空經濟為固態電池開辟新市場，中國民用航空局預測，到2025年中國低空經濟市場規模將達1.5萬億元。目前，eVTOL所需電池能量密度需超過300Wh/kg，固態電池產業有望迎來快速發展。同時，固態電池也是人形機器人的最優動力解決方案，能提供更持久續航、更高安全性及更靈活的內部空間布局。

另外，以固態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。固態電池技術是發展兼具高能量密度、高安全性、長壽命及低成本下一代電池的關鍵保障。當前，全球主要國家及地區均在加速布局固態電池研發與產業化。

日本政府在2015—2024年間投資近2000億日元（約100億元）用于全固態電池的技術開發，并在2022年發布《蓄電池產業戰略》，計劃在2030年左右實現全固態電池的商業化，確保技術領先地位。

美國能源部（DOE）于2021年發布了《國家鋰電池藍圖2021—2030》，指出需要重點關注全固態電池相關的新材料、電極和電池制造方法，并通過Battery500、IONICS、EVs4ALL、Li-Bridge等項目投資超過2億美元（約15億元）資助相關企業、高校與科研機構開展下一代電池研發。

我國在2020年印發的《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035）》中將固態電池列為重點攻關方向。2024年，據中國日報從多方信源獲悉，我國或將投入約60億元用于全固態電池研發，包括寧德時代、比亞迪、一汽、上汽、衛藍新能源和吉利共六家企業或獲得政府基礎研發支持。

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

信息來源：

革命性突破！現有電動汽車將面臨淘汰.固態電池SSB

太藍新能源《固態鋰電池技術發展白皮書》

中冶有色技術平臺、中國日報、粉體網

（中國粉體網編輯整理/蘇簡）

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