从“永远差 5 年” 到量产倒计时!固态电池究竟闯过哪些关卡?
锂电那些事今日头条2025年06月17日 星期二
在过去很长一段时间里，固态电池一直被视为未来的希望，却似乎总是差临门一脚，那句 “固态电池永远差 5 年” 的调侃在行业内广为流传。然而，如今形势发生了巨大转变，固态电池已经进入量产倒计时阶段。那么，在这短短几年间，固态电池究竟实现了哪些关键技术突破，从而成功跨越从实验室到量产的鸿沟呢？
电解质材料的革新
氧化物电解质的优化
氧化物电解质在固态电池发展历程中占据重要地位，涵盖晶态的 NaSICON 型、钙钛矿型、石榴石型等多种类型。美国 University of Dayton Research Institute 的 Kumar 小组在 2010 年首次报道了一款采用 NASICON 结构玻璃 - 陶瓷材料作为电解质的全固态锂 - 空气电池原型，不过其需在较高温度（75 - 85℃）下才能实现多次充放电循环。法国科学家在 2011 年采用放电等离子烧结（SPS）工艺制备电池 Li3V2 (PO4) 3，虽能让电池结构完整、电极与电解质接触良好，但仍存在一定局限性。
对于钙钛矿型氧化物电解质，日本东京都立大学的 Kanamura 小组自 2005 年便开始尝试以此设计全固态电池，可受限于电解质总电导率低，电池总体性能始终不高。
而石榴石结构的氧化物电解质近年来取得了显著进展。2016 年，有学者制成基于高电导率石榴石结构电解质的全固态电池，通过在正极中加入导电玻璃（ITO）作为电子导电网络，在增加电极厚度（大于 30μm，负载更多正极活性物质）的情况下，仍能获得较高容量（以 LiCoO2 为正极活性物质，室温下放电容量可达到 100mA・h/g）。如今，像中国的卫蓝新能源、清陶能源等企业在氧化物固态电解质方面取得了重要突破。卫蓝新能源车规级半固态电池包能量密度可达 360 瓦时 / 千克（Wh/kg），清陶能源开发的以氧化物电解质为主、添加聚合物和浸润剂的半固态电池批量化生产技术，能量密度可达 300 瓦时 / 千克（Wh/kg）以上。这些企业通过不断优化材料配方和制备工艺，有效提升了氧化物电解质的离子电导率、化学稳定性以及与电极材料的兼容性，为固态电池的性能提升奠定了坚实基础。
硫化物固态电解质的突破
日本丰田公司堪称全球硫化物固态电池领域的领军者。自 20 世纪 90 年代起，丰田便投身固态电池研发，2010 年成功推出硫化物固态电池，2014 年其样品电池能量密度达到 400Wh/kg，2020 年全固态电池装车并在测试路段试运行，计划于 2025 年推出第一款配备全固态电池的混动车型。丰田在硫化物固态电解质材料、固态电池制造技术、正极材料和硫化物电解质材料回收技术和工艺等方面技术成熟，专利布局完整。
除丰田外，松下、三星、LG 化学、美国 Solid Power 公司等众多企业也纷纷选择硫化物固态电解质路线。Solid Power 采用三元正极材料、高含硅富锂负极材料和自有知识产权的硫化物固态电解质制作的全固态电池，能量密度可达 390 瓦时 / 千克，电池寿命超过 1000 次。2024 年 4 月，重庆太蓝新能源公司成功研发并制造出全球首款符合车规标准的全固态锂金属电池，其单体容量达到了创纪录的 120Ah，经实测其能量密度高达 720Wh/Kg，一举刷新了体积型锂电池在单体容量和能量密度方面的全球纪录。这一系列成果的取得，得益于对硫化物电解质材料的深入研究，通过优化材料结构、降低界面电阻等手段，极大地提升了电池的性能和稳定性。
聚合物固态电解质的发展
法国博洛雷集团在聚合物固态电池领域起步较早，也是首个实现聚合物电解质固态电池商业化的公司。早在 2011 年，博洛雷集团就利用自主开发的电动汽车和电动巴士在法国巴黎及其郊外提供汽车共享服务，累计投入 3000 辆搭载 30 千瓦时固态电池的电动汽车。该电池正极采用磷酸铁锂和 LixV2O8，负极采用金属锂，电解质采用聚合物薄膜，能量密度为 100 瓦时 / 千克，不过电池工作温度需维持在 60 至 80 摄氏度，每辆车均需配载加热器以便在启动前对电池进行加热。
如今，部分领先企业聚焦于将适量液体组分添加到聚合物电解质中进一步形成凝胶结构，以提升电解质的离子电导率和能量密度。例如中国赣锋锂电公司专注于固态氧化物厚膜技术路线，其最新技术采用三元正极材料、固态氧化物膜的半固态电池能量密度超过 350。通过这种改进方式，既保留了聚合物电解质的柔韧性和良好的成膜性，又提升了其离子传输性能，为聚合物固态电解质在固态电池中的应用拓展了更广阔的空间。
电极材料与界面问题的攻克
高容量电极材料的应用
随着固态电池技术的发展，对电极材料的性能要求也日益提高。在正极材料方面，超高镍正极材料凭借其高比容量的优势受到广泛关注。以蔚来 150 度半固态电池为例，其正极采用超高镍正极材料，并利用纳米级包裹技术改善材料与电解质界面。这种材料能够在有限的空间内存储更多的电量，从而提升电池的能量密度。
在负极材料领域，硅碳复合负极材料成为研究热点。蔚来 150 度半固态电池的负极采用硅碳复合负极材料，通过创新的均质包裹和无机预锂工艺，让能量密度大幅提升。硅材料具有极高的理论比容量，远高于传统的石墨负极，但硅在充放电过程中会发生较大的体积膨胀，导致电极结构破坏，影响电池寿命。而硅碳复合负极材料通过将硅与碳材料复合，有效缓解了硅的体积膨胀问题，同时保留了硅的高比容量特性，为提升固态电池的综合性能提供了有力支持。
界面问题的解决
在固态电池中，电极与电解质之间的界面问题一直是制约电池性能的关键因素。由于固态电解质与电极材料的物理和化学性质差异较大，在充放电过程中，界面处容易形成高电阻层，阻碍离子传输，降低电池的充放电效率和循环寿命。
针对这一问题，科研人员和企业采取了多种解决方案。一方面，通过材料表面修饰和界面工程技术，在电极与电解质界面构建稳定、低电阻的中间层。例如，在正极材料表面进行纳米级包裹，改善其与电解质的接触界面，减少界面副反应的发生；在负极材料表面进行预处理，形成稳定的固体电解质界面膜（SEI 膜），提高界面的离子电导率和稳定性。另一方面，优化电池的制备工艺，提高电极与电解质之间的接触面积和均匀性。采用先进的烧结、涂覆等工艺，使电极与电解质能够紧密结合，降低界面电阻，提升电池的整体性能。
电池制造工艺的改进
新型制备技术的应用
为了实现固态电池的大规模量产，电池制造工艺的改进至关重要。近年来，一系列新型制备技术应运而生。在薄膜型全固态电池制备方面，气相沉积技术得到广泛应用。美国固态电池公司 Sakti3 采用气相沉积方式制备氧化物薄膜，这种技术能够精确控制薄膜的厚度和成分，制备出高质量的固态电解质薄膜，为薄膜型全固态电池的性能提升提供了保障。
在体型电池制备方面，放电等离子烧结（SPS）工艺、低温共烧技术等得到了大量研究和应用。SPS 工艺能够在较短时间内实现材料的致密化烧结，提高电池的生产效率和质量。例如，韩国科学家采用 SPS 工艺制备了基于石榴石结构固态电解质的全固态电池，有效提升了电池的性能。低温共烧技术则可以降低电池制备过程中的温度，减少材料的热损伤，同时提高电极与电解质之间的结合强度，改善电池的界面性能。
生产设备与自动化水平的提升
除了制备技术的创新，生产设备和自动化水平的提升也是实现固态电池量产的关键。随着固态电池研发的不断深入，越来越多的企业加大了在生产设备研发和升级方面的投入。通过引进先进的自动化生产设备，实现了电池生产过程的精准控制和高效运行。从原材料的混合、电极的制备、电池的组装到最后的检测，整个生产流程都可以通过自动化设备进行精确操作，大大提高了生产效率和产品一致性。
例如，一些企业采用智能化的涂布设备，能够精确控制电极浆料的涂布厚度和均匀性；在电池组装环节，采用高精度的自动化装配设备，确保电池各部件的安装精度和可靠性。同时，通过建立完善的生产管理系统，对生产过程中的各项参数进行实时监测和分析，及时调整生产工艺，保证产品质量的稳定性。这种生产设备和自动化水平的提升，不仅为固态电池的大规模量产提供了技术支持，还降低了生产成本，提高了企业的市场竞争力。
从曾经看似遥不可及的梦想，到如今即将实现量产，固态电池在电解质材料、电极材料与界面问题以及电池制造工艺等方面取得了一系列重大技术突破。这些突破为固态电池的商业化应用铺平了道路，相信在不久的将来，固态电池将凭借其高能量密度、高安全性、长循环寿命等优势，在新能源汽车、储能等领域大放异彩，深刻改变我们的能源使用方式和生活方式 。那么，你认为固态电池实现量产后，会首先在哪个领域得到广泛应用呢？是新能源汽车、消费电子还是储能领域呢？
