隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)以及環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，新能源產(chǎn)業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。固態(tài)電池作為一種具有高能量密度、高安全性和長(zhǎng)循環(huán)壽命等顯著優(yōu)勢(shì)的新型電池技術(shù)，被廣泛認(rèn)為是未來電池技術(shù)發(fā)展的重要方向，有望成為推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)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(zhì)的電池，與傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)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(zhì)中遷移，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)和釋放。傳統(tǒng)鋰電池由正極、負(fù)極、液態(tài)電解質(zhì)和隔膜組成，而固態(tài)電池則采用固態(tài)電解質(zhì)替代了液態(tài)電解質(zhì)和隔膜，使得電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhì)遷移到負(fù)極并嵌入其中；放電時(shí)，鋰離子則從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過固體電解質(zhì)回到正極。這種離子遷移過程在固體電解質(zhì)中進(jìn)行，相較于液態(tài)電解質(zhì)，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(zhì)泄漏引發(fā)的安全隱患，同時(shí)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(diào)研，固態(tài)電池的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀(jì)初，1831-1834年，MichaelFaraday發(fā)現(xiàn)了固體電解質(zhì)硫化銀和氟化鉛，為固態(tài)離子學(xué)奠定了基礎(chǔ)，但在當(dāng)時(shí)，相關(guān)技術(shù)并未得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。直到20世紀(jì)中葉，隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，人們開始對(duì)固態(tài)電池展開深入研究，多種電化學(xué)體系曾使用銀離子固體電解質(zhì)，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(bào)道了一種薄膜型全固態(tài)鋰離子電池，采用LiI作為電解質(zhì)。不久，另一種基于LiI的全固態(tài)薄膜電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并成功用于心臟起搏器，但當(dāng)時(shí)的電池為一次電池，無法充電，且絕對(duì)容量較低，難以廣泛應(yīng)用。1983年，日本東芝公司宣布開發(fā)了一款可實(shí)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(dá)到150μA?h/cm2,隨后，人們逐漸開始研究無機(jī)全固態(tài)薄膜鋰電池，日本NTT、美國(guó)UnionCarbide等公司也相繼報(bào)道了各自的進(jìn)展。1992年，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Bates等成功研制出一種無機(jī)固態(tài)薄膜電解質(zhì)LiPON，并推出多種薄膜鋰電池的正負(fù)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(dá)10mA/cm2,且表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能（10000次），該實(shí)驗(yàn)室與ITN公司合作推出商業(yè)化的薄膜鋰電池，推動(dòng)了全固態(tài)薄膜鋰電池的研究。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著電動(dòng)汽車和移動(dòng)電子設(shè)備等領(lǐng)域?qū)﹄姵匦阅芤蟮牟粩嗵岣?，固態(tài)電池技術(shù)再次成為研究熱點(diǎn)，各大汽車廠商和開發(fā)商開始對(duì)固態(tài)電池技術(shù)產(chǎn)生越來越大的興趣，投入大量資源進(jìn)行研發(fā)，眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在固態(tài)電解質(zhì)材料、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǎng)率為45%，且全球有幾十家企業(yè)機(jī)構(gòu)投身固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)。截至2023年，具有潛力的固態(tài)電解質(zhì)材料包含聚合物、硫化物和氧化物。2024年4月，重慶太藍(lán)新能源公司成功研發(fā)并制造出全球首款符合車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的全固態(tài)鋰金屬電池，其單體容量達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的120Ah，經(jīng)實(shí)測(cè)其能量密度高達(dá)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(jì)錄。2024年10月，北京純鋰新能源科技公司投資建設(shè)的中國(guó)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(shì)1、安全性大幅提升據(jù)研精畢智信息咨詢發(fā)布的調(diào)研報(bào)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(zhì)，這種電解質(zhì)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(zhì)容易泄漏并引發(fā)起火、爆炸等嚴(yán)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(dāng)電池內(nèi)部溫度過高時(shí)，負(fù)極SEI膜分解，繼而隔膜分解熔化，導(dǎo)致負(fù)極與電解液發(fā)生反應(yīng)，隨之正極和電解質(zhì)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(jìn)而蔓延到其他電芯，造成嚴(yán)重的熱失控。而固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)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(zhì)泄漏帶來的安全隱患。同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)還能夠抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。在傳統(tǒng)液態(tài)電池中，鋰枝晶在充放電過程中可能會(huì)逐漸生長(zhǎng)并刺穿隔膜，導(dǎo)致正負(fù)極短路，引發(fā)安全問題。而固態(tài)電解質(zhì)的高機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性可以有效阻擋鋰枝晶的生長(zhǎng)，降低短路風(fēng)險(xiǎn)，從而大幅提升電池的安全性。例如，在針刺試驗(yàn)中，傳統(tǒng)液態(tài)電池往往會(huì)出現(xiàn)起火、爆炸等劇烈反應(yīng)，而固態(tài)電池則能夠保持穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生起火、爆炸等危險(xiǎn)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(shì)。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(biāo)之一，它直接關(guān)系到電子設(shè)備或電動(dòng)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(shì)，能夠顯著提高設(shè)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(dá)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(diǎn)：一方面，固態(tài)電解質(zhì)的使用使得電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，在相同體積或重量下，可以容納更多的活性物質(zhì)，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(fù)極材料，如硅基、鋰金屬負(fù)極等。以硅基負(fù)極為例，其理論容量高達(dá)3580mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極的372mAh/g。這些高比容量材料的應(yīng)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(shí)現(xiàn)先串聯(lián)后封裝，減少了封裝材料的使用，進(jìn)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(yīng)用固態(tài)電池技術(shù)，以提升電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。奔馳與美國(guó)電池初創(chuàng)公司FactorialEnergy共同開發(fā)的新型固態(tài)電池Solstice，能量密度高達(dá)450Wh/kg，預(yù)計(jì)可使電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力提升80%，續(xù)航里程達(dá)到1000km。智己L6搭載的第一代光年固態(tài)電池，電量達(dá)磷酸鐵鋰的160％以上，可實(shí)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(dòng)汽車行業(yè)帶來新的突破和發(fā)展。3、循環(huán)壽命長(zhǎng)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(zhǎng)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(fù)極之間的反復(fù)嵌入和脫出，會(huì)導(dǎo)致電極材料的結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化，同時(shí)電解液也會(huì)逐漸分解，這些因素都會(huì)導(dǎo)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而固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)，避免了液態(tài)電解質(zhì)的分解問題，同時(shí)固態(tài)電解質(zhì)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(jié)構(gòu)變化，從而減少電池容量的衰減，延長(zhǎng)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(zhì)中引入聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸鋰）(PAMPSLi)分子刷來實(shí)現(xiàn)丁二腈的構(gòu)象反轉(zhuǎn)，穩(wěn)定陽(yáng)極/電解質(zhì)界面，使用這種電解質(zhì)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(dāng)長(zhǎng)的循環(huán)壽命（在3C下循環(huán)1500次）。衛(wèi)藍(lán)新能源的固態(tài)電池SHS165-280循環(huán)壽命長(zhǎng)達(dá)6000次。固態(tài)電池循環(huán)壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。對(duì)于電動(dòng)汽車來說，更長(zhǎng)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(jì)性和實(shí)用性。對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)等其他應(yīng)用領(lǐng)域，長(zhǎng)循環(huán)壽命的固態(tài)電池也能夠減少設(shè)備的維護(hù)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(shì)，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(duì)較窄，一般在-20℃-60℃之間。在低溫環(huán)境下，液態(tài)電解質(zhì)的粘度會(huì)增加，鋰離子的遷移速度變慢，導(dǎo)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(zhì)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(zhì)，其物理和化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，受溫度影響較小。固態(tài)電解質(zhì)在低溫下不會(huì)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(zhì)也不會(huì)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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了極端環(huán)境下正常工作，適用于極寒到酷暑各種復(fù)雜氣固態(tài)電池工作溫度范圍廣的優(yōu)勢(shì)使其在許多特殊環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景中具有更大的優(yōu)勢(shì)。在極地、沙漠等極端氣候條件下使用的電子設(shè)備和電動(dòng)汽車，固態(tài)電池能夠更好地適應(yīng)環(huán)境溫度變化，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。在航空航天、軍事等領(lǐng)域，對(duì)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(lǐng)域的設(shè)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(shù)路線與進(jìn)展1、主流技術(shù)路線目前，固態(tài)電池的研發(fā)主要聚焦于聚合物電解質(zhì)、氧化物電解質(zhì)和硫化物電解質(zhì)這三條主流技術(shù)路線，它們?cè)谛阅堋⒅苽涔に嚭蛻?yīng)用前景等方面各有優(yōu)劣。2、聚合物電解質(zhì)聚合物電解質(zhì)具有良好的機(jī)械性能，質(zhì)地柔軟且富有彈性，能夠適應(yīng)電池在不同工況下的形變，有效避免因電池內(nèi)部應(yīng)力集中而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞，為電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。此外，聚合物電解質(zhì)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(shè)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(zhì)時(shí)，無需對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行大規(guī)模改造，從而降低了生產(chǎn)成本和技術(shù)門檻，有利于快速實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。然而，聚合物電解質(zhì)也存在一些明顯的缺點(diǎn)，其中最為突出的是室溫離子電導(dǎo)率較低。在室溫條件下，聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率通常在10-6-10-?S/cm之間，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率（10-2-10-1S/cm），導(dǎo)致電池的充放電速度較慢，無法滿足一些對(duì)快速充放電性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。為了解決這一問題，研究人員采取了多種改進(jìn)措施，如對(duì)聚合物基體進(jìn)行改性，引入特殊的官能團(tuán)或結(jié)構(gòu)，以提高聚合物的離子傳導(dǎo)能力；添加增塑劑，降低聚合物的結(jié)晶度，增加離子的遷移率；與無機(jī)納米粒子復(fù)合，利用無機(jī)粒子的高離子傳導(dǎo)性和特殊界面效應(yīng)，協(xié)同提高電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。3、氧化物電解質(zhì)氧化物電解質(zhì)具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，在空氣中不易與水分和氧氣發(fā)生反應(yīng)，能夠有效避免電解質(zhì)的分解和性能劣化，保證電池在不同環(huán)境條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。同時(shí)，氧化物電解質(zhì)還具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，能夠有效抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。在電池充放電過程中，鋰枝晶的生長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致電池短路和安全事故，而氧化物電解質(zhì)的高機(jī)械強(qiáng)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(zhì)也面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，其離子電導(dǎo)率相對(duì)較低，尤其是在室溫下，離子電導(dǎo)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(zhì)通常硬度較高，在與電極材料復(fù)合時(shí)，難以形成良好的界面接觸，導(dǎo)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(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和組成，以提高離子電導(dǎo)率；同時(shí)，開發(fā)新型的界面修飾技術(shù)，在氧化物電解質(zhì)與電極之間引入緩沖層或進(jìn)行表面改性，改善界面接觸，降低界面阻抗。4、硫化物電解質(zhì)硫化物電解質(zhì)在眾多固態(tài)電解質(zhì)中具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，其最突出的特點(diǎn)是具有極高的離子電導(dǎo)率。在室溫下，一些硫化物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率可以達(dá)到10-3S/cm數(shù)量級(jí)，甚至更高，接近或超過液態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率水平。這使得硫化物固態(tài)電池在充放電過程中能夠?qū)崿F(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(dòng)汽車等對(duì)電池性能要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景。此外，硫化物電解質(zhì)具有較好的機(jī)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(zhì)膜，便于與電極材料進(jìn)行集成，有利于實(shí)現(xiàn)電池的小型化和規(guī)?；a(chǎn)。而且，硫化物電解質(zhì)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(jìn)一步提高電池的性能。這些優(yōu)勢(shì)使得硫化物電解質(zhì)在全固態(tài)電池中展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?，被廣泛認(rèn)為是未來固態(tài)電池技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。然而，硫化物電解質(zhì)也存在一些亟待解決的問題。其化學(xué)穩(wěn)定性較差，容易與空氣中的水分和氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成有毒的硫化氫氣體。這不僅會(huì)影響電池的性能和壽命，還對(duì)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用環(huán)境提出了極高的要求，增加了成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，硫化物電解質(zhì)與鋰金屬負(fù)極之間的界面反應(yīng)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(dǎo)致電池性能下降。針對(duì)這些問題，研究人員致力于開發(fā)新型的封裝材料和技術(shù)，提高硫化物電解質(zhì)的抗環(huán)境干擾能力；同時(shí)，通過界面修飾和優(yōu)化電極材料，改善硫化物電解質(zhì)與鋰金屬負(fù)極之間的兼容性，抑制界面反應(yīng)，提升電池的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。5、技術(shù)進(jìn)展與突破近年來，固態(tài)電池在關(guān)鍵性能指標(biāo)方面取得了一系列令人矚目的突破，這些進(jìn)展為固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在能量密度方面，眾多科研機(jī)構(gòu)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(dá)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(guó)電池初創(chuàng)公司FactorialEnergy共同開發(fā)的新型固態(tài)電池Solstice，采用鋰金屬負(fù)極、硫化物固態(tài)電解質(zhì)，能量密度高達(dá)450Wh/kg，預(yù)計(jì)可使電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力提升80%，續(xù)航里程達(dá)到1000km