“充電十分鐘，續航1000公里。”這是豐田汽車最近放出的數據，根據他們的規劃，預計2027～2028年推出豐田全固態電池。

最近一段時間內，廠商排著隊研究固態電池，比如特斯拉最新專利披露了一項革命性的固態電池技術突破；預計到2027年，寧德時代實現全固態電池小批量生產；三星SDI宣布已向客戶交付了首批固態電池產品，并在接下來將進行為期六個月的測試；SK On和LG新能源分別計劃在2028年和2030年實現全固態電池的商業化；松下計劃于2030年實現全固態動力電池的商業化；通過與QuantumScape合作，大眾汽車在其乘用車的固態電池技術上投入了大量資金，目標是在2025年投產；我國主要動力電池企業全固態電池商業化的時間節點大多是在2026～2030年間。

在如此大熱的行情下，可以說，汽車工程師都要懂點固態電池技術。所以，固態電池究竟是什么，對比現有技術，它又有什么優勢？一文讓你看懂。

固態電池，什么東西固態了？

眾所周知，電池系統除了決定車輛的續航里程外，還會影響車輛的性能、重量、成本和充電要求。所以，“卷電池”就成了車企的必修課。

不得不說，當前的液態鋰電池技術框架已經開始觸及瓶頸，即便采用高鎳三元正極、硅碳負極和先進電解液，其性能提升也將在未來3～5年內達到極限（能量密度上限預計為350Wh/Kg），就算這樣，依然無法滿足動力電池在安全性、能量密度及成本方面的嚴苛要求。

目前，世界正在押注兩種電池技術作為未來：一是固態電池，二是燃料電池（比如氫燃料電池），兩大巨人都在決戰未來。

那么，所謂固態電池，究竟固態在哪？

其實原理很簡單，就是用固體材料代替電解質。在固態電池中，正負極之間不存在液態電解質，而是由固態電解質連接。當電池充電時，正離子從正極移動到負極，同時電子通過外部電路移動。當電池放電時，離子和電子的運動方向相反。

固態鋰電池，屬于第四代鋰電池。

此處的電解質，是鋰電池的四大核心材料之一。在動力電池中，四大核心材料為正極材料、負極材料、電解液和隔膜，占總成本將近40%。其它為電池組材料、外殼材料等。

液態鋰離子電池的主要構成

平時我們所說的三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池，名字都取自正極，指代的是不同的正極材料+硅碳負極+先進液態電解液，主要包括：

• 鈷酸鋰（HT-Li-CoO2）電池：第一款商業化鋰離子電池的正極材料，具有三種物相，有極高的體積能量密度，電化學性能優越，體積能量比高，標稱電壓3.7V，廣泛應用于消費類電子設備，如MP3、手機、筆記本電腦，因為其安全性差，不適合用于動力電池。
• 磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）：正極采用磷酸鐵鋰取代以前使用的鈷酸鋰。盡管功率密度相同，但產生的熱量較少。這導致消除了電池中的自燃。以前已知的“記憶效應”在使用新材料的電池中也被消除了。LiFePO4 可充電電池在1997年發明后，在手機和筆記本電腦中用作平面設計，或在熟悉的AA 或AAA可充電電池中用作圓形設計，開始了其在世界范圍內的成功故事。
• 三元鋰電池：正極材料采用了包含鎳、鈷、錳（或鋁）三種金屬元素的三元聚合物。因其長續航，廣泛應用于對續航要求高的電動汽車。寧德時代多生產三元鋰電池，并研發推出了成本更低的鈉離子電池。能量密度高。電芯標稱電壓可達3.7V，高于磷酸鐵鋰的3.2V，輸出功率大，續航更長。低溫性能更好，冬季電池續航衰減要好于磷酸鐵鋰電池。但是安全性差、耐高溫性差、成本高于磷酸鐵鋰電池，循環放電1000次左右，壽命略短于磷酸鐵鋰電池。
• 錳酸鋰（LiMn2O4）電池：正極使用錳酸鋰材料的電池，錳酸鋰電池其標稱電壓在2.5~4.2v ，標稱電壓為3.7V。日產LEAF就選用了錳酸鋰。成本低、低溫性能好的正極材料。低電阻實現了快速充電和大電流放電。不過耐高溫性差，容易產生氣體，產生膨脹等，循環壽命短，一般在600-800次。

液態鋰離子電池的四大核心材料構成

而現在，把電解質從液態變為固態，命名就更靠近電解質了。

固態電池正極通常由鋰過渡金屬氧化物（包括鋰鐵氧化物LiFeO2、鋰鎳氧化物LiNiO2、鋰鈷氧化物LiCoO2等）或聚陰離子化合物組成；負極由碳基材料或硅基材料組成；固態電解質主要包括無機陶瓷類電解質和有機聚合物電解質兩類，不同電解質擁有不同優缺點，目前主要包括氧化物、聚合物、硫化物三大路線，市場還沒有什么固定選項。

這樣看起來，和液態鋰電池基本一致，除了電解質。

從液到固，就像魔法一樣

雖然看似只是電解質形態的轉變，但就像施了魔法一樣，給鋰電池帶來許多優勢。

固態電池分為半固態和純固態兩種，在相同的體積或重量下，固態電池的能量密度越高、電量更多、電池壽命更長、循環壽命更長。

與傳統鋰離子電池相比，固態電池一般能量密度要高出20%，最多可提供2.5倍的能量密度，這意味著它們可以在更小的空間內存儲更多的能量，使它們比其他電池更小、更輕，同時仍提供相同的功率；它們的充電速度比傳統鋰離子電池快大約快5～6倍，這使得它們非常適合對速度至關重要的應用；在某些情況下，使用壽命是傳統鋰離子電池的兩倍以上。

更重要的是，鋰電池一直有個讓人頭大的難題，就是易燃易揮發，發生事故時鋰電池內部會產生大量的熱量。這是因為液體電解質中的易燃有機溶劑可能會導致電池著火甚至爆炸，相對不穩定。一旦液態鋰電池受到擠壓和沖擊，隔膜就會破裂，導致正負極短路。

固態電池則不包含任何液體成分或可燃材料，因此當其它類型的電池可能發生的火災危險或爆炸時，它們構成的風險要小得多。此外，固態電池比傳統的鋰離子電池更能抵抗極端溫度，因此非常適合在高溫高遠地區或惡劣環境中使用，這些環境的溫度在一天或一年中可能會大幅波動。

誰在造固態電池？

不過，聽起來就是換個電解質的事兒，看似挺簡單的，但做起來比想象中要難上許多。

究其原因，在于固態電池面臨著三個大問題：離子運輸機制、鋰枝晶生長機制、固-固界面問題，加之當前固態電池制造工藝不成熟，阻礙固態電池的廣泛實際應用。

第一批固態電池在1980年代以薄膜的形式制造，但是，制造起來屬實有些困難，導致制造商放棄了它們。隨著技術的發展，固態電池又卷土重來，雖然迄今為止純固態電池技術仍然不成熟，不過已經有半固態之類的在應用，比如，衛藍新能源和贛鋒鋰電等為代表的中國企業的半固態電池的量產裝車，標志著半固態電池在 2023 年實現了經濟學意義上的產業化。

全固態2027年有望實現量產裝車，盡管許多公司聲稱已經實現了性能非常好的固態電池制樣和測試，但到目前為止，全固態電池仍處于實驗室研究和開發階段，2030年左右進入大規模量產階段。

在技術方向上，日韓起步最早并選擇了硫化物固態電解質路線；歐美選擇氧化物固態電解質路線居多，且均在直接開發鋰金屬負極應用。

中國三種固態電解質路線均有布局，在開發全固態電池的同時也在大力發展對現有產業更友好的半固態電池。其中企業包括以寧德時代為代表的電池廠、以衛藍為代表的新勢力、以金龍羽為代表的其他行業轉型、以贛鋒鋰業為代表的上游企業等：

• 寧德時代：硫化物+鋰金屬+高性能正極路線，計劃2027年小批量量產，將建立10Ah級別全固態電池驗證平臺，打通干法、濕法極片制備和電芯一體化成型工藝方案。
• 衛藍新能源：氧化物+聚合物路線，濕法工藝，部分設備自研。能量密度目標400Wh/Kg以上，2027年實現全固態電池量產。
• 清陶能源：規劃從半固態過渡到全固態進階，全固態沿用IPC電解質體系。
• 國軒高科：高鎳三元（單晶）+硫化物+硅負極，量產落地產品能量密度350Wh/Kg，2027年小批量上車實驗，2030年量產。
• 蜂巢能源：硫化物路線，目前具備20Ah全固態電池能力，能量密度大于380Wh/kg。
• 億緯鋰能：聚合物、氧化物、鹵化物三條路線均布局，負極鋰金屬，正極高鎳體系。
• 弗迪電池：高鎳三元（單晶）+硅負極（高比容量低膨脹）+硫化物電解質（復合鹵化物電解質）的材料體系。
• 中創新航：從半固態過渡到全固態。半固態技術能量密度達到450Wh/kg，全固態電池技術采用復合金屬負極的，能量密度可達600Wh/kg。
• 孚能科技：第一代半固態產品在2022年9月投產（270～330Wh/kg），第二代將在2025年投產（300～350Wh/kg），第三代預計2028年投產，400Wh/kg以上的全固態電池計劃2032年投產（330～375Wh/kg）。
• 高能時代：硫化物路線，目前已有應用于消費電子產品的20Ah級別硫化物全固態電池樣品。
• 恩力動力：硫化物+鋰金屬路線，研發出520Wh/kg鋰金屬固態電池、389Wh/kg的18650圓柱電池。
• 贛鋒鋰電：GARNET型和NASICON 型氧化物，鋰金屬負極。第一代固液混合電池已經量產，能量密度240～270Wh/kg，第二代固液混合電池（三元正極、固態隔膜、鋰金屬負極）研發中，能量密度可達到400Wh/kg以上，
• 太藍新能源：氧化物路線、鋰金屬負極。已經制備出120Ah車規級全固態電池，能量密度720Wh/kg，正極富鋰錳基、負極鋰金屬基材料、氧化物復合固態電解質。

不過，需要注意的是，第一批配備固態電池的電池電動汽車或氫混合動力汽車的購買成本應該比那些集成鋰離子技術的汽車高得多，因為生產投資必須攤銷。

而我們都知道，汽車市場一直都很卷，想必屆時，不僅會卷電池本身，還會繼續“卷材料”“卷路線”“卷產業鏈”“卷上游設備”。

更多汽車電子相關精彩內容，歡迎關注訂閱號：汽車開發圈