中國儲能網訊：靠著能量密度、安全性能等方面的優(yōu)勢，固態(tài)電池被視作下一代電動汽車發(fā)展的“終極解決方案”。固態(tài)電池是指采用固態(tài)電解質的鋰離子電池。傳統(tǒng)鋰離子電池使用液態(tài)電解質作為離子遷移通道，通過隔膜隔離正極和負極以防止短路；固態(tài)電池則用固態(tài)電解質取代傳統(tǒng)的隔膜和液態(tài)電解質，基本原理與液態(tài)電池相似，即帶電離子在正極和負極之間往復移動實現(xiàn)充放電過程。
目前液態(tài)鋰離子電池是全球鋰離子電池的主流技術，生產工藝及供應鏈成熟，伴隨著技術更新迭代，液態(tài)電池已接近能量密度上限（200~300瓦時/千克），并且存在熱失控風險。與液態(tài)電池相比，固態(tài)電池具有輕量化、安全性和能量密度高、使用溫域寬、循環(huán)壽命長、快速充放電等優(yōu)勢，能夠解決新能源汽車續(xù)航和安全性問題。
固態(tài)電池逐漸量產并進入商業(yè)化應用
隨著電池技術的進步及新能源汽車滲透率的提升，固態(tài)電池（當前主要是半固態(tài)電池）逐漸實現(xiàn)量產并進入商業(yè)化應用階段。
據不完全統(tǒng)計，2023年全球固態(tài)電池出貨量約7吉瓦時，市場規(guī)模約90億元，主要為半固態(tài)電池。研究機構EVTank預計全固態(tài)電池有望在2030年前后全面實現(xiàn)商業(yè)化，到2030年全球固態(tài)電池的出貨量將達到614.1吉瓦時，在整體鋰電池中的滲透率預計在10%左右，市場規(guī)模將超過4000億元。
我國高度重視固態(tài)電池領域的技術研發(fā)和產業(yè)布局，出臺的《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》《關于推動能源電子產業(yè)發(fā)展的指導意見》《新型儲能制造業(yè)高質量發(fā)展行動方案》等政策都明確提出加快固態(tài)電池的研發(fā)應用。在政策支持下，我國固態(tài)電池的研發(fā)和產業(yè)化取得了顯著進展，半固態(tài)電池作為過渡階段的產物，在2023年實現(xiàn)了經濟學意義上的產業(yè)化。
截至2023年底，東風汽車、賽力斯、蔚來等車企均已實現(xiàn)半固態(tài)電池搭載及批量生產。從電池端企業(yè)來看，衛(wèi)藍新能源、清陶能源、贛鋒鋰業(yè)、孚能科技等企業(yè)均已實現(xiàn)量產裝車。尤其是2023年底，中國臺灣企業(yè)輝能科技的固態(tài)電池生產線正式投產，這是全球首條實現(xiàn)量產的全固態(tài)電池生產線，增強了業(yè)界對固態(tài)電池量產的信心。
高工產研鋰電研究所（GGII）數據顯示，2023年國內固態(tài)電池出貨量約為2.5吉瓦時，預計2025年國內固態(tài)電池出貨量將達13吉瓦時，至2030年出貨量將超200吉瓦時，占全球市場的比例將維持在35%左右。
固態(tài)電池將與液態(tài)電池長期共存互補
隨著市場對高性能電池的需求不斷增長，固態(tài)電池作為一項顛覆性技術，吸引了大量資金和技術投入，但目前仍處于產業(yè)化初期階段，在固態(tài)電池的材料、構造、加工等方面依然有諸多問題亟待解決。
固態(tài)電池面臨的挑戰(zhàn)主要有以下方面：一是固-固界面接觸時，存在內阻較大，循環(huán)性能、倍率性能差等問題；二是加工工藝難度大，如硫化物固態(tài)電解質對生產環(huán)境要求苛刻，需要隔絕水和氧氣，同時涉及薄膜沉積等與現(xiàn)有液態(tài)鋰電池完全不同的生產工藝，電芯工藝放大及大規(guī)模量產技術尚未解決；三是固態(tài)電解質成本高，固態(tài)電池生產過程成本占比超過50%，而目前液態(tài)鋰離子電池生產過程成本占比僅為20%~30%。
由于全固態(tài)電池仍面臨技術和成本等問題，因此半固態(tài)電池作為過渡技術，循環(huán)、倍率、低溫性能可滿足實用化需求，與現(xiàn)有鋰離子電池體系兼容性高，能利用現(xiàn)有生產線，率先迎來規(guī)模量產和應用。半固態(tài)電池在降低電解液含量的同時引入固態(tài)電解質，部分提升了安全性，但也導致倍率性能變差問題，需要通過添加導電劑和調控電解質配方等方式彌補材料性能缺陷。
未來5~10年是固態(tài)電池發(fā)展的關鍵窗口期。固態(tài)電池技術將朝著大容量、大型化、穩(wěn)定性、安全性等方向發(fā)展。在技術層面，重點解決固態(tài)電解質的鋰離子電導率偏低、固-固界面接觸性差、穩(wěn)定性不足、金屬鋰易導致枝晶生長等問題。如果固態(tài)電池能夠解決界面工程和規(guī)?；a難題，跨越從實驗室到量產的技術與成本鴻溝，則有望引領電動汽車、儲能系統(tǒng)進入新紀元，形成萬億元級市場。固態(tài)電池的發(fā)展路徑可能呈漸進式，與液態(tài)電池長期共存互補：液態(tài)電池主要應用于對成本敏感、對能量密度和安全性要求相對較低的領域；固態(tài)電池則在對安全性、能量密度要求極高的領域更具競爭力，兩者發(fā)揮各自的優(yōu)勢，應用于不同場景，滿足多元化市場需求。
固態(tài)電池的主要性能
與液態(tài)電池相比，固態(tài)電池使用不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液的電解質，解決了傳統(tǒng)液態(tài)電池電解液泄漏、電極短路等問題，降低了熱失控現(xiàn)象的發(fā)生概率，具有較高的安全性。此外，固態(tài)電池還擁有更高的能量密度，循環(huán)壽命更長，充電速度更快，有望成為推動能源清潔轉型和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵技術之一。
（1）能量密度更高。能量密度是衡量動力電池的重要指標，電池的能量密度越高，意味著在相同體積或重量下可以存儲更多的能量。由于使用固態(tài)電解質，全固態(tài)電池不需要使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰作為負極，可以明顯減少負極材料的用量，提高整個電池的能量密度。
（2）體積相對更小。在傳統(tǒng)的鋰離子電池中，電解液和隔膜占據了電池近40%的體積和25%的質量。如果使用固態(tài)電解質取代電解液和隔膜，正負極之間的距離甚至可以縮短為只有幾到十幾微米，大大降低了電池的厚度，推動電池向小型化、薄膜化轉型。
（3）材料柔性更佳。如果厚度可以薄到毫米級以下，即使是脆性的陶瓷材料，也會變得具有柔性。因此，輕薄的全固態(tài)電池，柔性程度也會有明顯的提高。通過使用適當的封裝材料，制成的電池可以經受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。
（4）使用更加安全。傳統(tǒng)鋰離子電池可能在大電流下出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導致短路破壞，以及有機電解液有發(fā)生副反應、氧化分解、產生氣體、發(fā)生燃燒等安全風險。通過采用全固態(tài)電池技術，可以避免產生類似的安全問題。
固態(tài)電池的應用領域
目前固態(tài)電池尚未大規(guī)模應用。業(yè)內預測國內市場大規(guī)模商用還需5~10年，多數固態(tài)電池產品處于驗證期，實際出貨量小。固態(tài)電池主要應用于以下三大領域：
（1）消費電子
固態(tài)電池具有安全性與柔性優(yōu)勢，有望率先應用于對成本敏感度較小的微電池領域，如智能穿戴、植入式醫(yī)療設備、無線傳感器等，待技術進步后向高端消費電池領域滲透。
（2）新能源汽車
隨著固態(tài)電池產品成熟，將持續(xù)往下游動力電池領域滲透進而實現(xiàn)大規(guī)模應用。動力電池尤其是新能源汽車動力電池行業(yè)將是未來一段時間我國固態(tài)電池主要需求領域。固態(tài)電池的應用也對整車的熱管理設計、一體化集成、結構件設計、全生命周期監(jiān)測和管理提出了新的需求，需要整車企業(yè)和電池企業(yè)協(xié)同設計、共同改進。另外，當前以液態(tài)電池為核心的新能源汽車產業(yè)鏈已經非常成熟，切入固態(tài)電池賽道后，從原材料、基材生產、電芯/電池包裝配、電池生產應用到電池回收，各環(huán)節(jié)都會對新能源產業(yè)鏈產生影響。
（3）儲能系統(tǒng)
全固態(tài)電池被公認有望突破電化學儲能技術瓶頸，是滿足未來發(fā)展需求的新興技術方向。在電化學儲能方面，鋰電池占電化學儲能比重達80%。結合國家對能源發(fā)展的指導方針，電化學儲能在用戶側、可再生能源并網配套等領域的需求有望迎來快速增長，這也將拉動固態(tài)電池的高速發(fā)展。
固態(tài)電池的組成與主要類型
固態(tài)電池主要由正極、負極和固態(tài)電解質三部分組成。其中，正極材料通常采用鋰鈷氧化物、鎳錳鈷酸鋰、富鋰錳基等，負極材料通常采用金屬鋰或碳材料，固態(tài)電解質采用硫化物、氧化物、聚合物等固體材料。根據固態(tài)電解質用量，固態(tài)電池可分為半固態(tài)電池和全固態(tài)電池。通常情況下，液體質量占比低于10wt%（質量百分比）的電池是半固態(tài)電池，能量密度高于350瓦時/千克；液體質量占比降為0的電池是全固態(tài)電池，能量密度高于500瓦時/千克。
其中，固態(tài)電解質是固態(tài)電池的核心組成部分，可同時作為電池隔膜及電池電解質。電解質的核心作用是在正負極之間傳導鋰離子。理想的固態(tài)電解質應滿足電子電導率高、界面阻抗低、結構穩(wěn)定安全性高、機械強度高等特點。當前研發(fā)中的固態(tài)電解質主要包括聚合物、氧化物、硫化物三種技術路線。
