固态电池技术发展与现状

引 言

近年来，伴随着新能源汽车及大规模储能产业的快速发展，动力电池作为能源存储的载体越来越受到社会各界的广泛关注。目前，在储能和新能源汽车等领域使用的动力电池主要是锂电池、铅酸电池、钠电池等液态电池。相比于固态电池，液态电池能量密度较低，在安全性、能量密度与使用寿命上存在明显的弱点，其潜力也已经被发挥到极致。固态电池作为一种新兴的能源存储技术，具有高安全性、高能量密度、使用寿命长等特点，不仅会得到更广泛的市场化推广与应用，也将会成为未来能源存储领域的重要力量。然而，由于固态电池在固态电解质稳定性、电极材料选择、制造工艺与成本、规模化应用安全性、规模化生产技术等方面仍面临着诸多困难，固态电池尚处于发展阶段，其产业化还有一段艰难的路要走。鉴于此，笔者拟从当前固态电池发展的技术路线出发，总结固态电池的发展现状与研究进展，分析我国固态电池产业化发展所面临的挑战，以便为固态电池研究提供详尽认识，同时力争为构建高安全性固态电池科技发展体系和推动其产业化提供有益的参考。

1 固态电池概述与特点

1.1 固态电池的涵义

固态电池是一种全固体形式存在、使用固体电极材料和固体电解质材料、不含任何液体成分的电池[1]。与液态（锂离子）电池、半固态电池（液体电解质质量占比小于 10%）和类固态电池（液体电解质质量占比小于 5%）等类型的电池不同，固态电池的核心是电池的正负极之间通过固态电解质来储存和释放电能，是所有材料都以固态形式存在的储能器件。目前，市场上使用的主流锂电池的电解质为液态，即锂电池由正极材料、负极材料、电解液和隔膜组成。而固态电池的能量密度较高，其改进的部分主要是将液态电解质完全变为固态电解质，以便大幅度提升电池性能[2]。

1.2 固态电池的技术路线

由于固态电池没有隔膜，固态电解质既要传导离子又需要具备隔膜功能，所以，开发具有较高离子电导率的固体电解质尤为重要。目前，依据固态电解质的差异，固态电池可分为聚合物、氧化物、硫化物（卤化物）三种技术路线（表 1），具体情况如下。

第一，聚合物固态电池。聚合物固态电解质通常是由聚合物基体（如聚酯、聚醚、聚胺等）和锂盐（如 LiPF6、LiClO4、LiAsF6 等）构成，具有质量轻、弹性好、易加工、成本低等特点，是欧美一些企业早期选择的主要技术路线[3]。法国早在 2011 年就实现了聚合物固态电池的千台装车应用，电池包能量密度十年前就达到 100 Wh/kg。但是，聚合物电解质室温下离子导电率低，需加热至 60◦C以上，热稳定性有限，再加上高压稳定性较差、材料常温电导率低等问题，电池能量密度难以继续提升。

第二，氧化物固态电池。氧化物电解质通常密度较高，具有较高的机械强度，也是欧美企业选择的技术路线。该类型电池的主要优势是电化学稳定性高，可同时适配锂金属负极和高电压正极。但常温电导率低，且电解质材料硬度高、制备工艺难度大，电池性能也难以充分发挥，开发的样品始终停留在小容量实验室层级，无规模化制备能力，离实际应用有较大差距。

第三，硫化物固态电池。硫化物固态电解质通常具备较高的离子电导率，其离子电导率总体水平超过传统的液态电解质，也能兼容锂金属负极和高电压正极，常温电导率达到了能方便应用的水平，制备相对容易[4]。该类型电池当前是各国普遍关注的技术路线，中国、美国、日本、韩国和欧洲各国家均在积极布局。目前，发展硫化物固态电池的难题主要是两个方面：一是存在着生成和释放有毒硫化氢的风险；二是研发生产成本较高。而卤化物具有硫化物类似特性，又能解决有毒硫化氢和成本难题，近年来也受到了一定关注，但也面临着负极稳定性差等新的技术难题。

1.3 固态电池的产品类型

发展固态电池的意义，不仅仅是将电解液替代为固态电解质，更重要的是通过兼容更高电压克容量的体系，实现更高能量密度。按照固态电池正负极化学体系的差异，可将固态电池产品分为三代（表 2）。第一代固态电池仅仅将电解液和隔膜替换为固态电解质，正负极没有变化，相比液态锂离子电池没有能量密度优势，成本也难以下降；此外，针对电池安全性问题，第一代固态电池缺乏绝对优势，对应的液态锂离子电池一样可以实现。第二代固态电池将负极材料替换为锂金属负极材料，甚至可以不用锂金属负极材料，锂金属的克容量是当下石墨负极的 10 倍，能量密度可提升至400 Wh/kg 以上。第三代固态电池除了采用锂金属负极材料以外，正极替换为克容量更高的材料，比如富锂正极材料，其能量密度可提升至 500 Wh/kg以上。总体而言，第一代固态电池在性能方面并没有实质性提升，在突破固态电解质本身的技术难题后，优化电池正负极以开发出第二代、第三代固态电池才更有意义（图 1）。

2 国内外固态电池的发展现状

2.1 国外固态电池发展现状

在欧美地区，固态电池已被视为新能源汽车、储能等领域下一代电池技术战略竞争的焦点。早在2012 年，美国 Solid Power 公司与宝马、福特、现代等汽车制造商建立了合作关系，有针对性地研究新的电池技术。目前，Solid Power 公司正在重点研究第一代硫化物固态电池技术，已开发的样品能量密度为 320 Wh/kg 左右，并着力建设固态电池的中试线，预计 2025 年协助宝马进行固态电池原型车集成测试。Quantum Scape 企业则与大众集团积极开展合作，目前已宣布将推进 10 层固态电池的测试，这是 Quantum Scape 企业正在向商业上可行的电动汽车固态电池迈进的一个重要体现。同时，大众集团也计划于 2025 年推出搭载全固态电池的 BEV 车型，这不仅是对固态电池实际产业化应用的体现，也将会对未来新能源汽车行业产生一定影响。针对固态电池，日本多家企业在基础研究和专利布局方面具有一定的先发优势，尤其是丰田、本田、松下、日立等企业优势较明显。在这些企业中，丰田率先研发固态电池，其目标是第二代硫化物全固态电池，其拥有固态电池的专利数量最多。目前，丰田宣称其硫化物全固态电池技术取得了一定突破，预计在 2027 年实现商业化，续航可达1 200 公里，且支持 10 min 快充，重量、体积、成本减半，但没有给出关键技术的具体说明。日立则研发出了大容量固态电池（1 000 mA），其特点是既可以在高温（36◦C ∼100◦C）的环境下工作，也能在−40◦C∼0◦C的严酷环境下使用。此类型的固态电池将极大地扩宽其使用领域，如用于航空航天、海洋渔业、工业机械等领域[5]。韩国也一直积极地致力于固态电池的研究。按照韩国固体电池的专利发表数量排序来看，LG 化学、三星、现代等企业在固态电池研究方面也取得了一些优异成绩。比如，韩国三星企业针对第二代硫化物固态电池技术展开了重点研究，在 2020年推出了 6Ah 级固态电池技术，能量密度达到了427 Wh/kg。企业还计划建设全固态电池试验生产线，并于 2027 年进行规模化生产。再如，现代汽车企业也对固态电池进行了针对性的研究，并取得了一些进展，其研发的固态电池体积比相同容量的锂离子电池要小很多，单次充电可行驶 700 公里左右。企业计划在 2025 年试生产配备全固态电池的新能源汽车，并计划在 2030 年左右实现批量化生产。

2.2 我国固态电池发展现状

相比于液态电池，固态电池在能量密度、充电速度、安全性、循环性等方面具有较大优势，一直被视为下一代电池技术的发展方向，国内一些高校、科研院所和企业积极致力于固态电池性能、界面和材料等方面的研发，并取得了一定成绩。基于固态电池相关专利、科研成果、科研项目等统计数据来看，中国科学院、北大深圳研究院、华中科技大学、清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学等科研院所和高校目前正在积极投身固态电池的研发，取得的成果在行业领域也产生了积极的影响。在企业层面，宁德时代、赣锋锂业、比亚迪、珈伟新能、鹏辉能源等企业都在积极致力于研发固态电池。比如，宁德时代重点聚焦于研发第二、第三代硫化物固态电池技术，其开发的固态原型电池可实现 3C 快充（充电时间 20min），循环寿命达 6 000次，具备 2Ah 级固态电池制备能力，续航可超 1 500公里，但工程化制造还有待突破。而蜂巢能源、中汽创智、赣锋锂业等企业也展示了其研发的硫化物固态电池样品，对推动储能电池的革新起到了一定促进作用。当前，由于全固态电池技术难度大，国内大部分企业的目标都是半固态电池，即在保留电解液的前提下加入部分固态电解质。据中科院院士、清华大学教授欧阳明高分析，固液混合物电池在现有的液态电池技术的基础上，仍然保留了部分电解液，电池机理改变不大，全固态电池的规模化、市场化仍未完全实现。

3 我国固态电池产业化发展面临的挑战

目前，关于固态电池技术突破和产业化的各种信息较多，但我国的固态电池研发和产业化发展仍面临着一些难题和挑战。具体而言，主要体现在以下四个方面。

3.1 关键技术难题待解决

其一，固态电池中界面接触问题。固态电池中的界面既有物理接触，也有化学接触，而固态电池的电解质和电极材料均为固体，与液体材料相比缺乏流动性，接触面的浸润程度也较低。固态电解质和固态电极难以保持完好的界面接触，会导致充放电过程中接触电阻升高，热量增大，影响电池的总体性能。其二，固态电解质的稳定性问题。固态电池的关键是固态电解质，相关电解质必须具备高离子导电性和良好的稳定性，但目前的固态电解质材料仍存在高温或高电压环境下不稳定、容易分解、电极材料脱落等问题，这些问题极大地限制了固态电池的安全性能和循环寿命[6]。其三，其他技术安全问题。比如，负极金属锂容易产生锂枝晶，存在穿透固态电解质引发电池内短路的风险。此外，固态电池正极、电解质、负极的化学组成及其物理、化学、力学等特性还需改进，材料间的兼容性有待提升，电池层级的安全管理技术也并不成熟[7]。这些问题的解决均是固态电池实现量产、商业化所面临的挑战。

3.2 工程化制备技术待突破

相比锂电池，固态电池在安全性与可靠性方面具有一定优势，但其成本较高、制备工艺更为复杂，在工程制造和量产方面也面临较大挑战。其一，为实现固态电池结构完全致密化以改善界面问题，需要特殊的高温、高压（数百 MPa 标准）工艺。但满足高温、高压的相关设备目前被西方国家所垄断，国内尚无相关的先进设备，亟待开发与优化。其二，固态电池制造对工艺环境有较高的要求。比如湿度方面，固态电池要远高于现有液态电池的湿度要求，才能避免硫化物与水分接触释放剧毒硫化氢气体，因此目前规模化生产还存在较大困难。其三，固态电池工艺一致性要求更高，规模化量产也需要强大的工程能力和制造经验，生产成本较高，需要进一步降低成本才能实现产业化。

3.3 知识产权布局待优化

相比于西方国家，我国在固态电池研发方面起步较晚，关键材料和基础专利受制于人。特别是在固态电池材料方面，专利数量排名前五的企业均为日韩企业。比如，在硫化物材料方面，全球拥有专利数量最多的前五家企业分别是丰田汽车、松下控股、出光兴产、三星电子、村田制作所，而它们全部来自日本和韩国。其中，关于固态电池的专利，丰田汽车企业最多，数量超过了 1 000 件。一直以来，日韩对知识产权的保护较为完善，这些专利形成了强大的技术壁垒，导致其他国家或相关企业在研发固态电池时过程会更加困难。如果使用这些日韩企业的专利，还需要缴纳高额的专利费用。此外，据业内专家分析，在固态电池产业化发展方向的核心技术方面，目前国内的开发能力明显不足，电池类相关企业在创新研发方面成效也不显著。同时，在已有固态电池研发成果方面，我国尚欠缺知识产权布局，再加上现有科研成果转化机制缺乏一定合理性，前端科研机构的成果与后端市场的转化运用尚未完全融合，导致知识产权供需出现一定的错位现象，对我国固态电池的产业化发展造成了一定制约。

3.4 发展技术路线不清晰

近年来，关于固态电池的相关概念和技术层出不穷，包括半固态电池、准固态电池、原位固态化电池、混合固液电池等。这些技术在本质上仍属于液态锂离子电池的范畴，但是在储能和动力电池领域产生了一定影响，也对部分新能源企业的产品研发和创新工作造成了一定干扰，不利于国内固态电池的技术布局和研发创新。由于液态锂离子电池与第一代固态电池技术性能接近（液态电池目前最高能量密度为 300 Wh/kg，半固态电池为 360 Wh/kg），应用场景也基本相同，再加上固态电池的研发耗时较长、制造工艺相对复杂、成本较高等问题，导致国内部分新能源企业在固态电池研发方面存在徘徊不前、缺乏动力、技术路线不明确等问题。此外，由于固态电池的研发需要较多的人力、财力和物力投入，造成国内部分新能源电池企业计划直接从国外引进成熟的核心技术，希望通过走捷径的方式实现弯道超车，这在一定程度上影响着我国固态电池产业的未来竞争力。

4 我国固态电池产业化发展的对策

4.1 加大政策扶持，推动技术创新研究

一是加强基础研究。在研发高性能电解质、正负极活性材料、不同应用特点固态锂电池等方面，基础研究一直是我国的短板。当前，我国已成为科技大国，针对固态电池技术，要不断加强基础研究，积极创新和布局专利，这对整个固态电池行业的发展尤为重要。

二是加强政策引导。今天，固态电池被认为是新一代电池的发展趋势，相关部门应将固态电池纳入国家重点领域或关键行业的研发体系，借助国家重点基础研究发展计划、高新技术研究发展计划、产学研发展计划等方式，加强固态电池核心技术攻关和产业化培育布局。

三是加强财税扶持。通过大基金支持计划、产业发展投资专项基金、创新创业投资基金等方式，加大对固态电池研究与发展的财力支持，提供基础保障[8]。此外，积极引导社会资本投向固态电池创新型企业和相关技术创新的项目，特别是要对从事固态电池基础性研究的企业提供税收优惠政策。

4.2 明确发展目标，坚持多元化发展策略

发展固态电池产业，需要明确发展的目标与技术路线，重点支持第二代、第三代固态电池。如前所述，由于液态锂离子电池具备第一代固态电池同样的技术性能和应用场景，所以研发第一代固态电池的意义和价值不大，真正有价值的是第二代、第三代固态电池。因此，应聚焦资源、瞄准目标，设定技术攻关的路线，加大对固态电池基础科学领域（如新型固态电解质材料、固态电极界面设计、正负极活性材料等）的创新性研究，重点攻关固态电池界面设计技术和制造工艺的难题。需要指出的是，固态电池虽然是未来电池技术的主流发展方向，但是对其技术难度和应用前景要有客观、理性的认识。换句话说，固态电池相关技术实现了突破，也主要应用于航空航天、能源存储、移动设备等高端领域，其生产制造成本短期来讲不具备优势，不会完全颠覆或替代液态锂离子电池。因此，针对固态电池的发展，既要正视与国外的差距，做到奋起直追，大力支持国内固态电池核心技术的研发与创新，也不能放弃现有液态电池，应坚持液态、固态及其他新体系电池的多元化发展策略。

4.3 强化产学研合作，推进科研成果转化

一是组建电池技术应用创新联盟。针对固态电池发展，积极推进高等院校、科研院所、社会企业等相关组织机构组建产业技术创新与应用推广联盟，重点突破固态电池的界面接触、高性能电解质材料、固态电极界面设计、正负极活性材料、工程化制造工艺等难题，以推进固态电池技术协同创新工作。

二是推进科研成果产业化应用。充分利用国内现有的电池应用及生产示范平台，通过组织开展在新能源汽车、智能化电网、电子数码产品等领域的应用示范活动，推动固态电池科研成果的产业化和市场化发展。此外，重点支持福建宁德、四川宜宾、江苏常州等地区着力打造特色固态锂电池产业链，加速推进相关新能源企业实现规模化生产。

三是强化人才支撑与引领。固态电池发展中的电极界面设计、工程化制造工艺等关键技术的攻关，需要大量专业人才给予支撑，尤其对高层次科研人才的需求更为迫切，因此，需要强化人才支撑与引领服务。一方面，地方政府可结合社会企业需求及时调整或优化人才引进政策，联合用人单位对引进的相关高层次人才给予妥善安置[9]；另一方面，加强与高校院校、社会企业的合作，采取订单式的人才培养方式，结合企业对人才专业知识、实践能力和综合素质的要求，培养适合企业要求的人才。

4.4 扶持龙头企业，明确固态电池优先发展级

在众多产业走向中高端的道路上，龙头企业的带动作用越来越突出。比如：宁德时代作为目前国内最大的锂电池生产商之一，其动力电池和储能电池的出货量已连续四年稳居世界前列，在国内新能源电池领域具有不可替代的作用。相关管理部门要重点支持像宁德时代、比亚迪等电池企业开展固态电池技术的研究攻关，通过财政补贴政策、鼓励企业合并重组、鼓励产业合作联盟、创造公平竞争环境等措施，让龙头企业持续保持和扩大我国在电池领域的领先优势。尤其是那些在液态锂离子电池领域具备丰富研发和工程制造经验的大型企业，往往最有潜力推动固态电池实现商业化发展，国家对他们更应加大支持力度。国家在扶持和支持固态电池的发展过程中，要明确固态电池优先发展级。基于固态电池在新能源汽车、储能、航空等不同领域的能源存储要求和市场发展现状，相关机构和企业应科学规划固态电池类型、技术路线、相关产业链等方面的发展优先级。一方面，针对高优先级的固态电池技术研发和工程化制造工艺，政府管理部门可集中各方优势力量，着力攻克关键核心技术。另一方面，针对低优先级固态电池产品制造和产业化发展，国家应出台相关扶持政策，调整和改善新能源电池产业发展结构，形成协同发展趋势，为其市场化发展营造良好的环境[10]。

4.5 强化国际合作，探索发展新模式

一是积极借鉴固态电池先进技术。部分日韩企业在固态电池基础研究方面具有一定的先发优势，并且在材料研发、电池设计、电池制造等方面具备较强的综合实力。国内相关企业可结合自身发展需求，适当引进国外的先进固态电池技术，并与国外拥有先进固态电池技术的相关企业加强交流合作，在技术引进基础上加强再创新工作，以推动国内固态电池产业的自主创新与可持续性发展。

二是大力强化固态电池自主研发。日本丰田等国外企业在硫化物固态电池关键技术方面专利布局较早且具有明显的优势，但是我们不应“人先有、我后有”式地简单跟随，而要注重开发独立自主的技术方案，绕开日本、韩国、美国等国外知识产权的壁垒和限制，从而在未来的国际新能源市场竞争中占领制高点。

三是注重推进固态电池标准国际化。相关部门和企业应联合电池产业链上下游的企业和不同组织机构，针对固态电池的研发设计、电导率测试、电解质材料、生产制造、质量安全评估、核心装备配置等环节，借助数字化信息技术开展相关标准修订工作，从而打造标准化的公开、共享的体系与平台，在推进固态电池标准国际化的同时，营造面向全球发展的共享、共赢环境。

5 结 语

固态电池作为一种新兴的能源存储技术，具有高安全性、高能量密度、使用寿命长等特点，将会成为下一代储能电池的主要发展方向。笔者分析了目前固态电池的技术路线与发展现状，总结了我国固态电池产业发展中面临的一些主要问题，如关键技术难题待解决、工程化制备技术待突破、知识产权布局待优化、发展技术路线不清晰等，并从政策扶持、发展目标、技术路线、国际合作、发展模式等方面提出了应对策略，即：加大政策扶持，推动技术创新研究；明确发展目标，坚持多元化发展策略；强化产学研合作，加速研究成果转化；扶持龙头企业，明确固态电池优先发展级；强化国际合作，探索发展新模式。以此为基础，我国的固态电池研发和市场化会取得更大的成果。