水有三态 —— 液态、气态和固态，现代硬盘主要有两类，机械硬盘、固态硬盘；或许你有听说过，其实电池也有「固态」的。

 

       固态硬盘称之为「固态」的解释有多个版本，但通俗来说，它由固态电子存储芯片矩阵列组成的，相比起以磁性材料为存储介质的机械硬盘，其形态更为固定，故成为「固态硬盘」。

 

       固态电池是否也是如此呢？

 

01 

 

电池如何「固态」？

 

       如今大多数的蓄电池，特别是锂离子电池，其电解质都是液态的，可以称之为「液态锂离子电池」—— 而所谓「固态电池」其实就是与之相对的一种锂离子电池技术。

 

       我们知道，如今成熟的锂离子电池内部的结构包括有正极（阴极）、负极（阳极）、电解质，还有分隔阴阳极（正负极）的隔膜。

▲ 传统锂电池（左）与全固态电池（右）内部结构示意

 

       而固态电池，将当中原本液态的电解质改为了固态材料，并去掉了独立的隔膜结构。

 

       当然，固态电池的类型也是多种的，以电解质来分，有氧化物、硫化物、聚合物等，它们都有不同的优势和劣势，成本上也各有优势，这方面后面再聊。

 

02 

 

电池为什么要固态？

 

       聊到我们今天已司空见惯的「液态锂离子电池」，总能找到它的槽点 —— 自锂离子电池面世以来，它的进步仍赶不上我们的需求，即使是近几年电动汽车的发展带动了锂电池技术的发展，今天的手机还得一天一充、电动汽车的续航仍比不上油车；即使配套的电池管理技术再怎么完善，电池本身的安全性的进步仍有限，仍时不时有手机电池自燃烧伤用户、电动汽车自燃难以扑灭的新闻出现。

       现实中，电池的容量和安全二者常常会处于博弈的关系中，例如被广泛用作动力驱动的磷酸铁锂和三元锂电池，前者能量密度略低、热稳定性高（安全性较强）、不耐低温、寿命长、成本较低，后者则与之相对，密度较高、热稳定性较差（相对容易热失控）、耐低温、寿命较短、成本较高 —— 因此车厂们和电池厂会依据自身产品定位的取舍来选择电池类型。

 

       磷酸铁锂和三元锂电池是如今锂电池的缩影，而另一方面液态锂离子能量密度已经贴近技术天花的 300Wh/kg 左右（实际密度更是低于这个值），而下一步掺硅等方法改进的传统锂电池，只能将理论天花板捅到 400Wh/kg 左右。

▲ 传统三元锂电池针刺实验截图（极易热失控）

 

       前面提到的安全问题，可以说是如今「液态」锂离子电池的痛 ——在过充、电解质活性低等情况下，锂离子若无法及时嵌入到石墨负极时，会在负极表面形成金属锂枝晶，一来会损失锂离子，降低电池的容量，二来形成的金属锂枝晶可能会有刺穿阴阳极之间的隔膜，造成短路的风险，电池内部一旦短路，很有可能引起热失控，引起自燃。

 

       而固态电池，理论上能解决液态锂电池的这两个问题。

▲ 三元锂固态电池针刺实验截图（不易产生热失控）

 

       首先固态电池的内部结构简单，普通电池液态的有机电解液含有易燃的溶剂，固态电池的固态电解质则不需要，直接去掉了易燃的隐患，阴阳极之间就不需要额外的隔膜结构，即使电池遭到破坏，也不易发生自燃 —— 将锂电池的安全性提升到另一个次元。

       而容量方面，得益于固态电池稳定的结构，其能量密度能突破普通锂离子电池 300Wh/kg~400Wh/kg 的天花板限制 —— 都说如今的锂离子电池能量密度的天花板实际是安全性与堆料性能不断博弈的结果 —— 例如三元锂电池的正极（阴极）材料，就是利用了镍的比能量高特性，才提升了锂电池的能量密度，但镍的含量高了，电池就越不稳定 —— 如果安全问题「解决」了，那么即使材料不变，镍的含量可以进一步提升，而其它起稳定作用的元素则可以降低（如「钴」），这样的电池密度就再进一步提升。

（摘自：许晓雄的《全固态锂电池技术的研究现状与展望》）

 

       以上两点对于电池动力的汽车而言，都是利好的痛点改进 —— 一来提升电动汽车的安全性，二来大幅度提升电动汽车的续航能力和充电速度。

▲ 传统锂电池组封装方式（左）与固态电池组封装方式（右）

 

       此外，还有重要的一点，就是动力电池组的封装问题，传统液态锂电池组，一般是先生产出多个小电芯，再通过并联 + 串联的方式组合成更大电池组的，而电芯之间还需要有冷却系统的布置，整个电池组本身的电芯的占比还不够高；而固态电池，可以直接串联堆叠封装而无需冷却系统的布置，这样一来，相同空间内的电池组空间进一步压缩，电芯占比提升，封装的电池组容量也就再进一步提升了。

 

03 

 

它离我们多远？

 

       最近有消息称保时捷正研发的电动版 911 跑车将搭载固态电池，而这款固态电池将与 QuantumScape 共同合作开发；宝马的首款固态电池车型或许最快于 2025 年上市；日产的首款固态电池计划于 2029 年 3 月前推出。

       而蔚来其实早在去年的 ET7 发布会上，就透露其第一款电动轿车 ET7 将会有搭载 150kWh （半）固态电池的超长续航电池包版本推出，最近的 ET7 终于开启交付了，但这一版本却仍未见踪影，也没有报价。

       不过在最近的中国电动汽车百人会论坛上，这款电池的供应商「卫蓝新能源」透露，用于这款车型的（半）固态电池将会在今年底、明年上半年正式量产交付，其能量密度可以来到 360Wh/kg 的水平，能换来 1000 公里的超长续航里程 —— 除了蔚来，卫蓝新能源近期还获得小米（小米长江产业基金）、华为（哈勃投资）等企业的进一步投资；而 SK、宁德时代、赣锋锂电等电池厂也开始加速固态电池的布局，可见已经有不少科技公司瞄准了固态电池的发展。

▲ 卫蓝新能源 30Ah 固态电池电芯样品

 

       但值得注意的是，包括卫蓝新能源在内，近期即将量产的固态电池实际上只是混合固态电池（根据液体含量不同俗称半固态电池、准固态电池等），要实现真正的无液全固态电池，还需要一段时间来解决摆在面前的各种问题。

 

       做全固态电池为什么那么难，这就不得不说到固态电解质对比起液态电解质的缺点了 —— 首先是锂离子的通过率较低，它决定了电池内部阴阳极之间锂离子的通畅性，前面提到的氧化物、硫化物、聚合物三种电解质类型里，数硫化物类电解质的通过率最高，但它的稳定性较弱，且成本较高；第二个问题出在固态材料的接触程度远低于液态材料，接触面积小了，界面阻抗也就越高，锂离子的通畅性再度受阻 —— 这都限制了材料能量的释放。

 

 

       而现阶段的混合固态电池，是从液态到固态迈进的一种折衷技术路线，内部因含有液态电解质，这类混合固态电池其实还是会有隔膜的存在，不过安全性和能量密度理论上已经比普通液态电池高了。

 

       中科院院士欧阳明高表示，2025年是液态电池向固态电池过渡的关键期；但实际上，全固态电池还需要新材料的研发、设计的革新、技术的成熟等方面跟上，要想真正实现全固态电池的量产，或许我们还有很长的路要走。