固态电池概念、分类、优势及挑战在哪？

固态电池安全性高，有望突破能量密度上限。

1.固态电池概念：固态电解质替代电解液及隔膜

传统锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液四大部分组成。其中，正、负 极材料决定了电池的容量，隔膜用于隔离正负极，同时允许离子通过，电解液则是连 接正负极的介质，充当锂离子传输的媒介。固态电池是使用固体电解质来替代传统锂 离子电池的电解液和隔膜，实现离子传输和电荷储存，是一种新型的电池技术。 传统液态锂电池的两端为电池的正负两极，中间为液态电解质。在锂离子从正极到负 极再到正极的来回移动过程中，电池的充放电过程便完成了。固态电池的工作原理与 之相通，充电时正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌，通过固态电解质向负极迁 移，电子通过外电路向负极迁移，两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极 材料中；放电过程与充电过程恰好相反。

根据电解液质量百分比含量，固态电池可分为“半固态电池”、“准固态电池”和“全 固态电池”三大类。 （1）半固体电池：电解液含量占比在5%-10%，半固态锂电池是固液混合电解质电池， 其电解质采用固液混合方案，固态电解质和液态电解质同时存在，在电芯构成上也保 留了传统液态锂电池的隔膜结构，为通往全固态电池路上的“折中方案”。 （2）准固态电池：电解液含量占比在0%-5%，准固态电池相较半固体电池电解液含量 更低，保留有传统液态锂电池的隔膜结构。 （3）固态电池：电解液含量占比为0%，全固态电池由固态电解质和固态电极构成， 电池内部正极、负极和电解质均采用固体材料，并去掉隔膜的电池类型。

2. 固态电池优势：具备高安全性能、高能量密度关键优势

2.1高安全性：工作温度范围宽，耐热性好

液态锂电池过热容易失控，产生各类安全问题。在使用过程中，过度充电、撞击、短 路、泡水等因素会导致电池热失控，导致燃烧、爆炸等安全风险。当液态电池温度上 升至90°C-120°C时，由于电池过热，锂电池负极表面SEI膜开始分解，嵌锂碳直接 暴露于电解液并反应放热、产生大量可燃气体；当电池温度上升至130°C时，电池隔 膜会开始熔化，导致电池发生内短路，释放大量热量，导致温度剧烈上升；电池温度 上升至200°C后，促进电解液气化分解，电池发生剧烈燃烧及爆炸。 固态电池工作温度范围更宽，耐热性更好。固态电池正常工作温度范围为-50℃- 120℃，与普通锂电池相比具有更广泛的温度适应性。同时，由于固态电解质具有耐 高温、不可燃、绝缘性好的特性，在受热过热时，固态电池不易产生短路问题，安全 性能大大提升。

2.2高能量密度：兼容高比容量正负极，电池结构优化

液态锂电池能量密度已经接近极限。电池能量密度与电极材料相关，近年来，液态锂 电池技术升级加速，正极、负极材料持续迭代，电池能量密度也不断提升。正极材料 方面，材料体系从磷酸铁锂向能量密度更高三元发展，而三元电池内部，也从333到523，再到811，不断改善。负极材料方面，早些年锂电池的负极普遍采用石墨，现在 加入了硅，借助硅碳负极，磷酸铁锂电池的能量密度取得了一定提升。目前，液态锂 电池技术已经基本成熟，主流的磷酸铁锂电池的能量密度在200Wh/kg以下，三元锂电 池的能量密度在200-300Wh/kg之间，材料的潜能基本被挖掘得接近极限值。 固态电池能量密度能达到500Wh/kg以上，有望实现能量密度极限的突破。相较于液态 锂电池，固态电池能量密度极限更高。根据财经十一人数据，主流液态锂电池的能量 密度范围约为150-300Wh/kg，半固态电池约350Wh/kg左右,全固态电池可以达到 500Wh/kg以上，能量密度有望实现大幅提升。

固态电池能量密度的提升主要在于正负极材料和电池结构两个方面的升级。 (1)正负极材料：固态电解质本身不能提升能量密度，但是固态电解质能够兼容高比 容量正负极。传统电解液在电压4V以上时，就会发生分解反应，所以液态锂电池具有 一定的电压上限。固态电解质更稳定、更安全、电化学窗口更宽，能够承受5V以上电 压。因此固态电解质可以兼容高比容量的正负极，比如富锂基正极、硅负极、锂金属 负极等材料，进而大幅提升电芯能量密度。例如，在负极材料方面，目前主流负极材 料石墨的比容量为365mAh/g，固态电池负极材料硅碳负极的比容量高达1000- 2000mAh/g，金属锂的比容量高达3860mAh/g，比容量是石墨的10倍，硅碳负极、金属 锂负极的应用将能够大幅提升锂电池能量密度。

(2)电池结构方面：固态电池具备结构优势，能够在堆叠，PACK方面实现能量密度提 升。一方面，传统液态锂离子中，需要隔膜把正负极分隔，防止短路，同时需要在电 池中注入电解液，连接正负极。固态电解质则将电解液的隔膜功能合二为一，因为没 有液体的存在，电芯结构更加紧密，能量密度得到更高。另一方面，传统液态锂离子 电池的电解液具有流动性，内部的堆叠串联很容易发生短路，引发自放电和放热。固 态电解质不具备流动性，固态电池可以实现电芯内部的串联、升压，可以降低电芯的 包装成本，并提升整体的体积能量密度。

3. 固态电池主要挑战：界面、成本问题是制约产业化的关键

3.1固-固界面：存在阻抗和相容性问题，影响循环和倍率性能

界面问题是制约固态电池性能的关键因素。固态电池电解质-电极界面为“固-固”界 面。与“固-液”界面相比，“固-固”界面存在阻抗大、相容性差的问题，继而造成 固态锂电池在循环性能、倍率性能等方面表现并不理想。 “固-固”界面问题主要表现在物理接触和化学接触两个方面。在物理接触上:电极和 电解质之间为点接触，接触面积小导致界面接触阻抗高，限制界面处锂离子传输；在 化学接触上:固态电池中金属锂负极和固态电解质相互接触后容易自发地发生化学 副反应，导致“固-固”界面稳定性降低，增大界面阻抗。 目前，在固态电池研发中，解决界面的主要方向之一是通过引入稳定的导电缓冲层消 除或减弱空间电荷效应，抑制界面层的生成，从而降低界面电阻。

3.2离子电导率：固态电解质离子电导率低

固态电解质离子电导率低于液态电解质。离子电导率是衡量电解质中离子传导能力 的重要参数，它直接影响到电解质的电化学性能和电化学反应速率，对电池的充放电 性能有关键影响。电解质的电导率越高，电池内的电子运动就越快，电池的放电效率 就越高。与液态电解质不同，固态电解质中离子间相工作用力强，其离子迁移能垒是 液体的10倍以上、离子电导率低。 在目前主要的三大固态电解质中，常见的氧化物固态电解质室温离子电导率约为10- 4 -10-3 S/cm，比液态电解质离子电导率（约为10-2 S/cm）低1-2个数量级；聚合物固态电 解质室温离子电导率约为10-7 -10-5 S/cm，是三大固态电解质中最低，比液态电解质低 3-5个数量级；硫化物固态电解质室温离子电导率约为10-3 -10-2 S/cm，接近于液态电解 质的室温离子电导率，但硫化物电解质存在许多界面的不稳定性问题。 对比各类固态电解质，固态电解质的综合性能与液态电解质还有一定差距，无法支撑 全固态电池的实际应用。因此明确高离子电导率的实现条件是发展高性能固态电解 质、提高全固态电池充放电速度的关键。

3.3成本：材料成本、生产工艺和产业化程度造成成本较高

固态电池当前成本较高，制约大规模应用。与传统锂电池相比，固态电池成本较高， 主要原因包括材料成本高、制造工艺不成熟、生产规模小和供应链不完善等。 （1）材料成本方面：部分固态电池电解质使用了的硫化锂、氯化锂等高纯度化合物， 或者锆、锗等稀有金属，原材料成本高； （2）生产工艺方面：固态电池的制造工艺较为复杂，部分技术路线制备过程包括高 温烧结、界面优化等步骤，增加了生产成本，对设备和工艺控制也提出了更高要求； （3）产业化程度方面：目前固态电池的生产规模较小，尚未形成规模效应，叠加关 键材料供应链尚不完善，导致固态电池单位成本较高。 随着技术的进步以及产业的规模化，未来固态电池成本有望降低。根据Wind数据统 计，截至2024年10月，我国方形动力电芯平均价格在0.35-0.6元/Wh之间，远低于固 态电池价格。根据TrendForce集邦咨询预测，到2030年，全固态电池的电芯价格有望 降至1元/Wh左右；到2035年，全固态电池的电芯价格有望降至0.6-0.7元/Wh，基本与 传统液体锂电池价格接近。