固态电池工作原理、优势、正负极与应用情况如何？

电池新一代技术革命，应用空间广阔。

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。具体来说，电池的正极和负极分别使用高能量密度 材料如锂金属或类似材料。 1. 电池放电：在放电过程中，锂离子从负极通过固态电解质迁移到正极。固态电解质中的锂 离子通过固体材料的扩散通道进行传输，避免了液态电解质中电解液的挥发及腐蚀问题。正 极材料发生氧化反应，释放出电子，电子通过外电路做功，从而实现电流的产生。 2. 电池充电：在充电过程中，外部电源提供的电能使锂离子从正极迁移回负极，负极材料发 生还原反应，接收电子，完成整个电池的能量恢复过程。固态电解质在这一过程中发挥稳定 的离子传导作用。

在各项参数上，固态电池与传统液态电池相比有着较大提升：与传统液态电池相比，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%；充电速度快，根 据宁德时代新发布的技术，固态电池 15 分钟可充至 80%，速度远超传统液态动力电池。

根据电解质液体含量的不同，电池可以分为液态（25wt%）、半固态（5-10wt%）、准固态（0- 5wt%）和全固态（0wt%）四大类，其中半固态、准固态和全固态电池统称为固态电池。半固 态电池已步入产业化期，处于进一步商业化关键节点。半固态电池的概念最早可以追溯到 20 世纪 70 年代，2011 年美国麻省理工学院的科学家 Yet-MingChiang 提出“液流电池”概念， 用带有细微颗粒的悬浮液作为电极研制而成半固态电池，在这种半固态电池中，电极是由微小的锂化合物粒子与液态电解液混合而成的泥浆状物质构成，这是半固态电池技术的重要起 源；2012-2016 年间是半固态电池的启动期，此时尚处于实验室研究和初步探索阶段；2017- 2022 年是半固态电池的高速发展期，这一阶段材料研发及电池性能提升取得进展，同时产业 界开始关注并布局相关技术；2023 年以来，半固态电池逐渐步入产业化，并处于商业化前夕 的关键节点。

全固态电池尚处于研发阶段，有望逐步实现量产。在早期电化学研究阶段，英国科学家约瑟 夫·汤姆逊前瞻性提出了利用固态电解质实现更稳定电池循环的概念，19 世纪中期硫化银、 氟化铅等固态电解质材料的发现为固态电池的后续发展奠定了关键基础；1992 年，美国橡树 岭国家实验室开发了一种无机固态电解质(LiPON)，并成功组装固态电池，标志着全固态电池 发展的重要转折点；随后多种固态电解质材料被陆续发现，21 世纪后市场需求的推动下，全 固态电池在电解质材料、电极材料以及界面工程等领域的研发取得显著发展；整体而言全球 各国都在积极发展全固态电池的研发，目前国内外多家公司已经明确固态电池量产的时间表， 建立起固态电池试产线，全固态电池技术正加快从研发走向量产的进程。

固态电池正极材料的发展方向是高能量密度体系。锂离子电池的能量密度主要取决于正极材 料的能量密度，因此需要开发高能量密度的正极材料适配固态电池。半固态多沿用现有三元 材料，远期全固态电池更多可能使用高镍、钴酸锂、富锂锰基等高电压正极材料。传统电解 液的稳定电压窗口通常为 1.5-4.3V，当正极电压超过 4.3V 时，电解液会发生氧化分解，生 成气体和界面膜，导致容量衰减。但固态电解质的稳定化学窗口可达 5V 以上，能为高电压 正极提供安全运行环境，让固态电池中高镍、钴酸锂、富锂锰基等高电压正极材料的应用成 为可能。

电池能量密度提升，从当前的石墨负极向硅基负极发展。当前锂电市场主流选择为石墨负极， 石墨负极各项技术较为成熟，容量方面已接近理论容量 372mAh/g，而硅基负极因其理论比容 量（室温下 3759mAh/g，400-500℃高温下 4200mAh/g）远高于石墨负极，被认为是新一代负 极的优秀材料。除容量优势外，硅基负极具有较低的脱嵌锂电位（~0.4Vvs.Li/Li+），充电时 可以避免表面的析锂现象。而硅基负极主要挑战在于其在充放电过程中体积膨胀明显，因此 当前硅基负极多与石墨材料进行掺混，在提升容量的同时也保证了其他关键性能的达标。

在各类负极材料中，金属锂具有极高比容量(3860mAh/g)和极低电极电势(-3.04V 相比于标准 氢电极电势)，是能源材料领域极具前景的核心负极体系。在金属锂电池中，金属锂的不均匀 沉积会导致锂枝晶生长、界面副反应增加并加剧负极体积膨胀，从而降低电池的充放电效率 和循环寿命。

固态电池下游应用场景多元，是产业发展的动力基础：在新能源汽车、储能系统和消费电子 等传统电池领域满足长续航、多循环和微型化需求，在低空经济、人形机器人等新兴领域作 为可行的能源来源，是未来高科技产业的重要基础： 1. 解决传统领域痛点问题，促进产业技术进步：新能源汽车方面，固态电池可解决续航和 安全性痛点，能量密度理论上可以达到 500Wh/kg，支持续航超过 1000 公里。消费电子方面， 固态电池可实现手机等电子产品更轻薄的结构，并且能够提升耐用性和使用寿命。 2．引领新兴领域发展，未来产业升级的基石：eVTOL（电动垂直起降飞行器）对电池能量密 度提出刚性需求，其电池能量密度要求为 400Wh/kg 及以上，这一能量密度基准必须于依赖 半固态及全固态电池技术的突破；固态电池是人形机器人最为适配的产品之一，不仅能够显 著增强续航时间，并且具有不易燃、无腐蚀、不挥发等特性，能够最大限度提升机器人室内 工作安全性。