固态电池解析

一、什么是固态电池？

• 核心特征：以固态电解质替代传统液态电解液及隔膜，正负极与电解质均为固态。

• 结构对比：

  • 液态电池：正极、负极、液态电解液、隔膜。

  • 固态电池：固态电解质取代电解液和隔膜，无液体组分。

 

固态电池和液态电池的构成比较

                                          储能转变-图源自知乎

 

二、固态电池的特点和优势

 

固态电解质的优势

 

1. 安全性提升：

• 不可燃材料：固态电解质熔点/沸点高，多数不可燃。

• 抑制枝晶生长：致密固态电解质阻挡锂枝晶穿刺，降低短路风险。

• 能量密度突破：

• 金属锂负极理论比容量达3860mAh/g（石墨负极的10倍），即使仅发挥50%仍具显著优势。

• 宽温域适应性：

• 聚合物电解质耐温>150°C，无机电解质可扩展至300°C，支持高温场景应用（如深海探测器、太空设备）。

• 快充潜力：

• 硫化物电解质离子电导率超10⁻² S/cm（接近液态电解液），支持10C快充（10分钟充至80%），且内阻低（

• 设计灵活性：

• 无需注液工艺，简化生产流程，支持异形电池设计（如超薄柔性电池，厚度

 

 

三、固态电池的分类

 

1、按照固态电解质含量

• 半固态电池：液态组分5%-10%，过渡技术（如蔚来150kWh电池包，能量密度360Wh/kg）。

• 全固态电池（ASSBs）：完全无液体，支持高压/高能量密度正负极。

 

全固态电池与液态电池、半固态电池对比

 

2、按照固态电解质类型

目前固态电池分为聚合物和复合固态电解质（聚合物+无机物）、氧化物、硫化物、卤化物等技术路线

 

 

图4：四种固态电解质性能对比

 

 

四. 电池为什么要固态？

（1）安全性

• 无泄漏风险：
         传统液态电解液（如EC/DMC）闪点仅28-32°C，热失控时易喷溅燃烧（特斯拉事故案例中火焰高度超5米）。固态电解质（如LLZO）不可燃且无流动性，穿刺测试中无明火（UL 1642标准通过率100%）。

• 热稳定性跃升：
         硫化物电解质（如Li₆PS₅Cl）热分解温度>500°C（液态电解液

• 极端环境耐受：

        低温：氧化物固态电池（LiPON）-40°C容量保持率>85%（液态电池

        高温：聚合物固态电池（PEO基）在150°C下循环100次无衰减（比亚迪实验数据）。

 

（2）能量密度

 

电极材料升级：

材料	传统液态电池	固态电池	理论提升幅度
负极	石墨 （372mAh/g）	锂金属 （3860mAh/g）	10倍
正极	NCM811 （220mAh/g）	富锂锰基 （350mAh/g）	60%

 

高压兼容性：

固态电解质电化学窗口>5V（液态LiCoO2@4.5V等高电压正极（能量密度提升20%）。

 

结构简化增益：

移除隔膜（厚度10-20μm）和电解液（占比15-25wt%），电池壳体减薄30%，系统能量密度提升40%（蔚来半固态电池包达360Wh/kg）

 

（3）循环寿命

界面稳定性：
      固态电池中固-固界面副反应减少90%（对比液态电池SEI持续生长），循环1000次容量保持率>95%（QuantumScape实测数据）。

 

锂枝晶抑制：
       LLZO电解质杨氏模量>50GPa（锂金属1.7GPa），完全阻挡枝晶穿刺（剑桥大学透射电镜原位观测验证）。

 

寿命预测模型：
      全固态电池日历寿命可达20年（液态电池8-10年），适用于电网级储能（特斯拉Megapack迭代方案）。

 

 

（4）环境友好

材料体系优化：

• • 淘汰PFAS类有毒溶剂（传统电解液中占比40%）。

  • 硫化物电解质可回收硫元素（回收率>98%），比液态电池减少60%重金属污染风险。

制造工艺减碳：
     干法电极技术（如Maxwell）降低能耗30%，配合无注液工艺，每GWh产能碳足迹减少45%（欧盟电池法规评分提升2级）。

 

 

（5）广泛适用性

多种应用场景

应用领域	传统电池限制	固态电池解决方案	商业案例
消费电子	厚度>3mm	柔性固态电池0.3mm	某可折叠手机（2026年预研）
航空航天	-40°C失效	氧化物固态-60°C工作	毅力号火星车电池升级计划
植入医疗	漏液毒性风险	生物相容性聚合物固态	美敦力心脏起搏器原型

 

固态电池正在重构储能技术的价值边界——不仅是性能参数的提升，更是从材料化学到工程物理的范式革命。随着2025年半固态电池规模化上车，动力电池产业将迎来”液态→半固态→全固态”的三段式跃迁，开启万亿级市场新纪元。

 

五. 固态电池的技术路

 

提升锂电池能量密度的思路拆解

 

液态电池向新型全固态电池技术迭代的可能路径

 

欧阳明高院士对于全固态电池技术路线的预测（2025.02）

 

应用场景

• 电动汽车：全固态电池可使续航超1000km，支持超充桩10分钟补能。

• 特殊领域：

  • 航空航天：耐受真空与辐射（国际空间站已测试）。

  • 柔性电子：可穿戴设备支持10万次弯曲（苹果专利柔性固态电池）。

 

 

*文章内容图片来源《2025年固态电池全景图》、《锂电设备行业深度报告—固态电池专题系列》，有需可dd

 

《2025年固态电池全景图》

 

参考文献：

1.Sung J, Heo J, Kim D H, et al. Recent advances in all-solid-state batteries for commercialization[J]. Materials Chemistry Frontiers, 2024, 8(8): 1861-1887.

2.Joshi A, Mishra D K, Singh R, et al. A comprehensive review of solid-state batteries[J]. Applied Energy, 2025, 386: 125546.

3.Janek J, Zeier W G. Challenges in speeding up solid-state battery development[J]. Nature Energy, 2023, 8(3): 230-240.

4.Machín A, Morant C, Márquez F. Advancements and challenges in solid-state battery technology: An in-depth review of solid electrolytes and anode innovations[J]. Batteries, 2024, 10(1): 29.

本文源自微信公众号：一起学电池

原文标题：《固态电池解析》

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/IrFHn5Gcjikj5PFdDpKd3g