固態電池：下一代電池技術的革命

技術原理

固態電池是一種採用固態電解質替代傳統液態電解質的新型儲能裝置，是繼鋰離子電池之後的下一代電池技術。與現有電池相比，固態電池在能量密度和安全性方面具有革命性突破。

固態電池的工作原理與傳統鋰離子電池相似，都是通過鋰離子在正負極之間的往復移動來完成充放電過程。但兩者的核心差異在於電解質的狀態。傳統液態鋰離子電池使用液態電解液，被形象地稱為「搖椅式電池」；而固態電池的電解質為固態，具有更高的密度和結構，能夠讓更多的帶電離子聚集和傳導，進而提升電池容量。

核心優勢

高安全性

液態電解質含有易燃的有機溶劑，內部短路時易發生燃燒甚至爆炸。固態電解質採用無機材料，具有不可燃、不洩露、不揮發、無腐蝕等特點，有望克服鋰枝晶現象。固態電解質能在較寬的溫度範圍內（-50°C至125°C）保持穩定，即使在高溫條件下也能保持良好的工作狀態。

高能量密度

固態電解質的寬電化學窗口允許使用更高電壓的正極材料，同時可採用金屬鋰作為負極，其理論比容量遠高於傳統石墨負極。這使得固態電池能量密度能達到300-500Wh/kg，而目前市場上液態鋰離子電池的最高能量密度僅為260Wh/kg。清華大學張強團隊開發的新型含氟聚醚電解質使固態電池能量密度達到604瓦時每千克，較現有商業化電池提升近3倍。

長循環壽命

固態電解質的穩定性使其循環壽命可達10,000至100,000次。

產業化進展

半固態電池已實現商業化：半固態電池作為過渡方案正在快速推進。2024年全球固態電池出貨量達到5.3GWh，同比增長4.3倍，全部為半固態電池。國內企業如廣州鵬輝能源已將半固態高安全電池率先應用於高端移動電源市場。

全固態電池產業化時間表：

• 2025年底：Farasis Energy宣布全固態電池進入試點生產，預計交付啟動；蜂巢能源完成10Ah級、400Wh/kg全固態電芯體系開發
• 2026-2027年：北京衛藍新能源、Chery等企業預計實現裝車驗證；孚能科技預計2026-2027年推進小批量量產裝車
• 2027年：比亞迪、CATL、寧德時代、國軒高科等企業有望實現小批量生產或裝車應用
• 2028-2030年：商業化階段，實現大規模量產

預計2030年全球固態電池出貨量將達614.1GWh，其中全固態電池比例接近30%，市場規模超2500億元。

主要技術路線

目前全固態電池主要分為四大技術路線：聚合物體系、氧化物體系、硫化物體系和鹵化物體系。其中硫化物電解質因具有最高的離子電導率，成為主要發展方向。材料端的發展方向預計從當下的石墨負極過渡到硅碳負極，最終到金屬鋰負極。

主要挑戰

成本問題是最大瓶頸。全固態電池的成本目前比液態電池高5-10倍，即使兩三年後仍可能保持這種差距。

技術難點包括：固固界面接觸問題、離子電導率的優化、鋰枝晶抑制、設備和工藝尚未固化。固態電解質與電極材料之間的有效接觸較弱，界面阻抗大，對電池性能造成負面影響。

量產工藝：目前全固態電池的製造工藝仍在探索階段，乾法成膜等創新工藝正在推進。固態電解質的成膜工藝是製造核心，需要在膜厚度、離子電導率和機械性能之間取得平衡。

應用場景

固態電池應用前景廣闊，短期應用於消費電子、人工心臟起搏器、RFID標籤等高安全需求場景；中期應用於低空經濟、機器人、eVTOL等新興領域；長期目標是在電動汽車和固定式儲能領域實現大規模應用。預計2030年固態電池市場需求將突破206GWh，到2035年擴大至740GWh以上。