www.188betkr.com 讯为什么固态电池可以取代传统锂离子电池？
传统的液态锂离子电池又被科学家们形象地称为“摇椅式电池”，电池的正负两极是摇椅的两端，中间是液态电解质液。而锂离子就像优秀的运动员，在摇椅的两端来回奔跑，在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中，电池的充放电过程便完成了。
固态电池的原理与之相同，只不过其电解质为固态，具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量。因此，同样的电量，固态电池体积将变得更小。不仅如此，固态电池中由于没有电解液，封存将会变得更加容易，在汽车等大型设备上使用时，也不需要再额外增加冷却管、电子控件等，不仅节约了成本，还能有效减轻电池包的重量。
传统液态锂离子电池与全固态锂离子电池示意图
图片来源：CNKI
锂离子电池工作原理
首先，锂离子电池主要是由正极、负极、隔膜、电解液组成。正极为含有锂的化合物（如三元锂、磷酸铁锂等），负极主要是由石墨材料（如人造石墨、天然石墨等）。
由于锂是最活泼的金属，充电时，锂离子在电荷的吸引下，会从正极进入负极。负极中石墨原子一层一层排列整齐，6个石墨原子可以固定一个锂离子，当石墨原子之间的空挡全被锂离子填满后，充电就完成了。
为了使锂离子在正负极之间快速运动，把电解质和有机溶剂调配出电解液填充到电池中，但电解液易燃易挥发，正负极接触后，会使活泼的锂离子发生剧烈的化学反应，再遇到电解液就可能发生起火或者爆炸。所以，在正负极之间增加一块不导电的半透膜，隔绝正负极材料，而隔膜只允许锂离子通过，电子只能从外部线路通过。通过化学反应使锂离子在正负极之间来回运动，就实现了电池的充放电。
但锂离子电池存在几个问题，第一，电解液易燃易挥发，一旦泄露就会发生危险，尤其是锂离子在负极容易形成枝晶，时间过久，枝晶有可能戳破隔膜，造成短路，使电解液起火；第二，电解液体积较大，限制了电池的能量密度；第三，低温下电解液会更加粘稠，锂离子活动困难，电池掉电会加快，减少续航里程。
固态电池工作原理
固态电池是一种使用固态电解质完全替代传统液态电解液及隔膜的电化学装置，其核心特征在于离子传导介质为固态物质，电极与电解质之间形成固-固界面。固态电池的工作原理主要基于锂离子在固态电解质中的迁移机制。
什么样的固态电解质可以使锂离子在正负极之间来回运动呢？
固态电解质主要可分为聚合物固态电解质和无机固态电解质。聚合物固态电解质的代表性体系是聚环氧乙烷（PEO），其在离子传导性和柔韧性方面表现良好。而无机固态电解质则包括氧化物、硫化物和卤化物等不同类型，这些材料通常具有更高的离子导电性和更好的热稳定性，适用于高性能固态电池的应用。
在正极材料选择上，正极材料在2023年之前多以中镍三元与磷酸铁锂应用为主，之后高镍三元凭借其高能量密度成为了固态电池正极材料的可选项，铁锂技术路线以高压密材料以及磷酸锰铁锂为技术发展趋势，随着固态电池技术的发展，正极材料的涂层改性和界面优化成为进一步优化方向，旨在提升材料的电子电导率和离子扩散系数，提升电池整体性能。负极材料路线，硅基负极和锂金属负极以其高比容量和低成本潜力成为未来技术发展主要趋势，其中锂金属负极作为固态电池负极材料的终极形态，其高理论比容量和低电极电位为实现高能量密度固态电池提供了可能。
与传统液态锂离子电池相比，固态电池在各项参数上有着较大提升。固态电池最大的优势在于安全性，固态电池采用不可燃的固态电解质，彻底消除起火风险，在800℃的高温下也可以做到不起火不爆炸；固态电池能量密度较高，目前可达到400-500Wh/kg，而传统液态电池容量最高在200-300Wh/kg，且已经接近锂离子物理极限；固态电池循环寿命长，循环寿命可超5000次；温度适应性高，在-30℃环境下容量保持率超80%。
下一代动力电池的核心方向——固态电池
在需求端，新能源汽车、低空经济、机器人等多重场景共同推动固态电池需求增长。新能源汽车领域普遍预期全固态电池将于2026年装车，2027年实现小批量生产。低空经济为固态电池开辟新市场，中国民用航空局预测，到2025年中国低空经济市场规模将达1.5万亿元。目前，eVTOL所需电池能量密度需超过300Wh/kg，固态电池产业有望迎来快速发展。同时，固态电池也是人形机器人的最优动力解决方案，能提供更持久续航、更高安全性及更灵活的内部空间布局。
另外，以固态电池为代表的新型电池正在重塑国际电池及能源市场竞争格局。固态电池技术是发展兼具高能量密度、高安全性、长寿命及低成本下一代电池的关键保障。当前，全球主要国家及地区均在加速布局固态电池研发与产业化。
日本政府在2015—2024年间投资近2000亿日元（约100亿元）用于全固态电池的技术开发，并在2022年发布《蓄电池产业战略》，计划在2030年左右实现全固态电池的商业化，确保技术领先地位。
美国能源部（DOE）于2021年发布了《国家锂电池蓝图2021—2030》，指出需要重点关注全固态电池相关的新材料、电极和电池制造方法，并通过Battery500、IONICS、EVs4ALL、Li-Bridge等项目投资超过2亿美元（约15亿元）资助相关企业、高校与科研机构开展下一代电池研发。
我国在2020年印发的《新能源汽车产业发展规划（2021—2035）》中将固态电池列为重点攻关方向。2024年，据中国日报从多方信源获悉，我国或将投入约60亿元用于全固态电池研发，包括宁德时代、比亚迪、一汽、上汽、卫蓝新能源和吉利共六家企业或获得政府基础研发支持。
所以，固态电池发展得益于政策支持及市场需求等关键因素的共同推动，已成为下一代动力电池的核心方向，也被视为取代液态锂离子电池的关键技术。
信息来源：
革命性突破！现有电动汽车将面临淘汰.固态电池SSB
太蓝新能源《固态锂电池技术发展白皮书》
中冶有色技术平台、中国日报、粉体网
（www.188betkr.com 编辑整理/苏简）
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