数字储能网讯：靠着能量密度、安全性能等方面的优势，固态电池被视作下一代电动汽车发展的“终极解决方案”。固态电池是指采用固态电解质的锂离子电池。传统锂离子电池使用液态电解质作为离子迁移通道，通过隔膜隔离正极和负极以防止短路；固态电池则用固态电解质取代传统的隔膜和液态电解质，基本原理与液态电池相似，即带电离子在正极和负极之间往复移动实现充放电过程。
目前液态锂离子电池是全球锂离子电池的主流技术，生产工艺及供应链成熟，伴随着技术更新迭代，液态电池已接近能量密度上限（200~300瓦时/千克），并且存在热失控风险。与液态电池相比，固态电池具有轻量化、安全性和能量密度高、使用温域宽、循环寿命长、快速充放电等优势，能够解决新能源汽车续航和安全性问题。
固态电池逐渐量产并进入商业化应用
随着电池技术的进步及新能源汽车渗透率的提升，固态电池（当前主要是半固态电池）逐渐实现量产并进入商业化应用阶段。
据不完全统计，2023年全球固态电池出货量约7吉瓦时，市场规模约90亿元，主要为半固态电池。研究机构EVTank预计全固态电池有望在2030年前后全面实现商业化，到2030年全球固态电池的出货量将达到614.1吉瓦时，在整体锂电池中的渗透率预计在10%左右，市场规模将超过4000亿元。
我国高度重视固态电池领域的技术研发和产业布局，出台的《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》《关于推动能源电子产业发展的指导意见》《新型储能制造业高质量发展行动方案》等政策都明确提出加快固态电池的研发应用。在政策支持下，我国固态电池的研发和产业化取得了显著进展，半固态电池作为过渡阶段的产物，在2023年实现了经济学意义上的产业化。
截至2023年底，东风汽车、赛力斯、蔚来等车企均已实现半固态电池搭载及批量生产。从电池端企业来看，卫蓝新能源、清陶能源、赣锋锂业、孚能科技等企业均已实现量产装车。尤其是2023年底，中国台湾企业辉能科技的固态电池生产线正式投产，这是全球首条实现量产的全固态电池生产线，增强了业界对固态电池量产的信心。
高工产研锂电研究所（GGII）数据显示，2023年国内固态电池出货量约为2.5吉瓦时，预计2025年国内固态电池出货量将达13吉瓦时，至2030年出货量将超200吉瓦时，占全球市场的比例将维持在35%左右。
固态电池将与液态电池长期共存互补
随着市场对高性能电池的需求不断增长，固态电池作为一项颠覆性技术，吸引了大量资金和技术投入，但目前仍处于产业化初期阶段，在固态电池的材料、构造、加工等方面依然有诸多问题亟待解决。
固态电池面临的挑战主要有以下方面：一是固-固界面接触时，存在内阻较大，循环性能、倍率性能差等问题；二是加工工艺难度大，如硫化物固态电解质对生产环境要求苛刻，需要隔绝水和氧气，同时涉及薄膜沉积等与现有液态锂电池完全不同的生产工艺，电芯工艺放大及大规模量产技术尚未解决；三是固态电解质成本高，固态电池生产过程成本占比超过50%，而目前液态锂离子电池生产过程成本占比仅为20%~30%。
由于全固态电池仍面临技术和成本等问题，因此半固态电池作为过渡技术，循环、倍率、低温性能可满足实用化需求，与现有锂离子电池体系兼容性高，能利用现有生产线，率先迎来规模量产和应用。半固态电池在降低电解液含量的同时引入固态电解质，部分提升了安全性，但也导致倍率性能变差问题，需要通过添加导电剂和调控电解质配方等方式弥补材料性能缺陷。
未来5~10年是固态电池发展的关键窗口期。固态电池技术将朝着大容量、大型化、稳定性、安全性等方向发展。在技术层面，重点解决固态电解质的锂离子电导率偏低、固-固界面接触性差、稳定性不足、金属锂易导致枝晶生长等问题。如果固态电池能够解决界面工程和规模化生产难题，跨越从实验室到量产的技术与成本鸿沟，则有望引领电动汽车、储能系统进入新纪元，形成万亿元级市场。固态电池的发展路径可能呈渐进式，与液态电池长期共存互补：液态电池主要应用于对成本敏感、对能量密度和安全性要求相对较低的领域；固态电池则在对安全性、能量密度要求极高的领域更具竞争力，两者发挥各自的优势，应用于不同场景，满足多元化市场需求。
固态电池的主要性能
与液态电池相比，固态电池使用不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液的电解质，解决了传统液态电池电解液泄漏、电极短路等问题，降低了热失控现象的发生概率，具有较高的安全性。此外，固态电池还拥有更高的能量密度，循环寿命更长，充电速度更快，有望成为推动能源清洁转型和实现可持续发展的关键技术之一。
（1）能量密度更高。能量密度是衡量动力电池的重要指标，电池的能量密度越高，意味着在相同体积或重量下可以存储更多的能量。由于使用固态电解质，全固态电池不需要使用嵌锂的石墨负极，而是直接使用金属锂作为负极，可以明显减少负极材料的用量，提高整个电池的能量密度。
（2）体积相对更小。在传统的锂离子电池中，电解液和隔膜占据了电池近40%的体积和25%的质量。如果使用固态电解质取代电解液和隔膜，正负极之间的距离甚至可以缩短为只有几到十几微米，大大降低了电池的厚度，推动电池向小型化、薄膜化转型。
（3）材料柔性更佳。如果厚度可以薄到毫米级以下，即使是脆性的陶瓷材料，也会变得具有柔性。因此，轻薄的全固态电池，柔性程度也会有明显的提高。通过使用适当的封装材料，制成的电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。
（4）使用更加安全。传统锂离子电池可能在大电流下出现锂枝晶，从而刺破隔膜导致短路破坏，以及有机电解液有发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧等安全风险。通过采用全固态电池技术，可以避免产生类似的安全问题。
固态电池的应用领域
目前固态电池尚未大规模应用。业内预测国内市场大规模商用还需5~10年，多数固态电池产品处于验证期，实际出货量小。固态电池主要应用于以下三大领域：
（1）消费电子
固态电池具有安全性与柔性优势，有望率先应用于对成本敏感度较小的微电池领域，如智能穿戴、植入式医疗设备、无线传感器等，待技术进步后向高端消费电池领域渗透。
（2）新能源汽车
随着固态电池产品成熟，将持续往下游动力电池领域渗透进而实现大规模应用。动力电池尤其是新能源汽车动力电池行业将是未来一段时间我国固态电池主要需求领域。固态电池的应用也对整车的热管理设计、一体化集成、结构件设计、全生命周期监测和管理提出了新的需求，需要整车企业和电池企业协同设计、共同改进。另外，当前以液态电池为核心的新能源汽车产业链已经非常成熟，切入固态电池赛道后，从原材料、基材生产、电芯/电池包装配、电池生产应用到电池回收，各环节都会对新能源产业链产生影响。
（3）储能系统
全固态电池被公认有望突破电化学储能技术瓶颈，是满足未来发展需求的新兴技术方向。在电化学储能方面，锂电池占电化学储能比重达80%。结合国家对能源发展的指导方针，电化学储能在用户侧、可再生能源并网配套等领域的需求有望迎来快速增长，这也将拉动固态电池的高速发展。
固态电池的组成与主要类型
固态电池主要由正极、负极和固态电解质三部分组成。其中，正极材料通常采用锂钴氧化物、镍锰钴酸锂、富锂锰基等，负极材料通常采用金属锂或碳材料，固态电解质采用硫化物、氧化物、聚合物等固体材料。根据固态电解质用量，固态电池可分为半固态电池和全固态电池。通常情况下，液体质量占比低于10wt%（质量百分比）的电池是半固态电池，能量密度高于350瓦时/千克；液体质量占比降为0的电池是全固态电池，能量密度高于500瓦时/千克。
其中，固态电解质是固态电池的核心组成部分，可同时作为电池隔膜及电池电解质。电解质的核心作用是在正负极之间传导锂离子。理想的固态电解质应满足电子电导率高、界面阻抗低、结构稳定安全性高、机械强度高等特点。当前研发中的固态电解质主要包括聚合物、氧化物、硫化物三种技术路线。
