固态电池采用 固体电极和固体电解质这使得它有别于依赖液体溶液的传统电池。
它提供了更高的能量密度和增强的安全性能。
其设计使其适合大规模电网应用。
电池类型
电解质成分
固态电池
固体，通常是陶瓷、聚合物或硫化物
传统锂离子电池
溶解在有机溶剂中的液态盐
固态电池具有更好的抗漏液和热失控能力，可显著提高未来技术的安全性和性能。
什么是固态电池
是什么让它与众不同
固态电池之所以脱颖而出，是因为它采用了 固体电解质 固体电解质层取代了液体电解质层。这层固体电解质层充当离子导体，允许锂离子在电池电极之间移动，同时阻挡电子。这种独特的特性可以防止短路并降低火灾风险。固体电解质还能抑制锂枝晶的生长，而枝晶的生长会导致传统电池故障。
制造商使用几种类型的固体电解质，每种都有不同的特性。下表列出了最常见的材料：
固体电解质的类型
特征：
常用材料
聚合物
灵活、轻便、室温下导电性低
聚氧化乙烯、四氯锂、六氟化砷、六氟化锂
氧化
电化学窗口宽，稳定性好，坚硬
LLZO、LLTO、LATP
卤化物
耐高压、高导电性、湿度敏感
Lia-M-Xb化合物
与传统设计相比，这些材料使固态电池能够在更高的电压和温度下安全运行。
服务流程
固态电池通过锂离子在固体电解质中的移动来存储和释放能量。充电时，锂离子从阴极移动到阳极。放电时，锂离子返回，产生电流。固体电解质确保只有离子移动，电子不移动，从而保持电池的稳定和高效。
固态电池提供令人印象深刻的技术 规格下表总结了关键绩效指标：
规格
价值
比能量
薄膜：300–900 Wh/kg
体积：250–500 Wh/kg
自放电率
6°C 时 85%（每月）
循环耐久性
10,000–100,000个周期
标称电池电压
薄膜：4.6V
体积：2.5 V
工作温度范围
-50°C至125°C
充电温度范围
-20°C至105°C
一些原型产品，例如梅赛德斯-奔驰固态电池，比能量达到450瓦时/千克，而其他顶级型号则达到360瓦时/千克，这些数值超越了许多传统的锂离子电池。
固态电池的自放电率远低于锂离子电池。例如：
专栏
固态电池
锂离子电池
自放电率
每年2-3％
每月 2-10%
这种低自放电率意味着设备可以保持更长时间的电量，使其成为需要长期存储的应用的理想选择。
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固态电池与锂离子电池
材料与设计
电池结构对性能和安全性至关重要。固态电池使用固体电解质，例如硫化物或氧化物，而锂离子电池则依赖于由碳酸盐或醚类制成的液体电解质。固体电解质允许制造商使用锂金属或硅等先进材料作为阳极，从而提高储能效率。锂离子电池通常使用石墨阳极。
固态电池的结构通常采用垂直堆叠的3D架构。这种设计改善了离子传输，并支持更快的充电速度。相比之下，锂离子电池采用传统的分层结构。下表重点介绍了主要区别：
专栏
固态电池
锂离子电池
电解液
固体电解质（硫化物或氧化物）
液体电解质（碳酸盐或醚）
结构
3D堆叠层
分层结构
阳极材料
锂金属、硅
石墨
安全
稳定性高，降低风险
容易发生泄漏和热失控
性能
增强离子传输，加快充电速度
标准收费标准
安全性和能量密度
安全性仍然是电池技术的首要关注点。固态电池采用固体材料而非易燃液体，因此具有更高的热稳定性。这种设计降低了过热和起火的风险。在事故场景中，固态电池的起火概率仅为 1%，而锂离子电池的起火概率则高达 10%。
电池类型
事故场景中的点火概率
固态电池
1%
锂离子电池
10%
“通过去除液体并使用 稳定的固体材料 相反，我们可以安全地一次性向电池中注入更多电力，而不会出现过热或起火的风险。”
能量密度衡量的是电池在给定体积或重量下能够存储的能量。固态电池的能量密度高达 400 Wh/kg，而锂离子电池的能量密度约为 250 Wh/kg。一些固态电池原型测得的能量密度为 1070 Wh/L，远高于锂离子电池典型的 800 Wh/L。这意味着设备可以运行更长时间，或使用更小、更轻的电池。
固态电池的储能能力是锂离子电池的2到10倍。这一优势使其能够实现紧凑轻量化的设计，从而减轻重量、增强加速和制动性能，从而提升车辆性能。
寿命和充电
电池寿命取决于性能下降前能承受多少次充电循环。固态电池可以承受 8,000 到 10,000 次充电循环。锂离子电池通常可以承受 1,500 到 2,000 次充电循环。这一差异意味着固态电池可以为设备和车辆供电多年而无需更换。
固态电池可承受 8,000 至 10,000 次充电循环。
锂离子电池通常可持续使用 1,500 至 2,000 个充电周期。
充电速度是另一个重要因素。固态电池充电速度更快，因为其固体电解质支持高离子电导率。固态电池的目标是在短短 80 分钟内从低电量状态充电至 15%，这比目前的锂离子电池充电时间有了显著提升。在 80C 的充电速率下，经过 800 次充电循环后，固态电池仍能保留 1% 以上的电量。
固态电池有望实现更快的充电速度和更高的安全性。
它们具有更好的能量密度，允许在与锂离子电池相同容量的情况下实现更紧凑的设计。
固态电池运行时温度更低。内部的固体材料可防止过热，使其在高要求应用中更加安全可靠。
性能
安全
与传统设计相比，固态电池在安全性方面有了很大的飞跃。
固体电解质不易燃，大大降低了火灾风险。
即使电池内层破损，也不会发生漏液、挥发。
没有分离器可最大限度地减少短路的可能性。
固体电解质保持稳定并抵抗意外的化学反应。
不存在传统电池中常见的电解液泄漏风险。
这些电池可以 在较高温度下运行而不会发生分离器故障.
固态电池可防止电解液泄漏和热失控，从而提高电动汽车的安全性。即使在快速充电或极端温度下，也能降低电池起火或爆炸的可能性。
性能
固态电池在几个关键领域的表现优于传统的锂离子电池。
它们通过使用固体电解质和锂金属阳极实现更高的能量密度，在更小的空间内存储更多的能量。
高离子电导率可实现更快的充电和放电速度，从而减少充电时间。
这些电池有望实现更快的充电速度和更高的安全性。
丰田预计固态电池可以将电动汽车的续航里程提高近 70%，并缩短直流快速充电时间。
由这些电池供电的设备可以运行更长时间并且充电更快，解决了当前技术的一个主要限制。
固态电池能够储存更多能量并快速充电，因此非常适合要求苛刻的应用。
应用
固态电池为各个行业开辟了新的可能性。
电动汽车的优势在于其占地面积更小，存储容量更大，从而延长行驶里程。
增强的安全性和快速充电（80 分钟内充电量高达 10%）解决了消费者对电池起火和充电延迟的担忧。
这些电池的使用寿命更长，这意味着汽车和消费电子产品的更换次数更少。
充电效率可与汽油加油时间相媲美，使电动汽车更适合日常使用。
消费电子产品受益于更快的充电速度和更好的安全性，而制造商可以设计出更薄、更轻的设备。
固态电池代表了电动汽车和消费电子产品的重大进步，提供了用户所需的安全性、性能和便利性。
挑战
机械问题
固态电池面临着诸多机械挑战，这些挑战会影响其可靠性和性能。这些电池内部的固体材料在组装或使用过程中可能会在机械应力的作用下破裂。 充电和放电循环过程中的体积变化 应力会在界面处产生应变，从而导致裂纹形成和电阻增加。随着时间的推移，应力积累还可能导致锂枝晶生长，从而引发短路。
主要挑战
描述
机械裂纹
循环过程中体积变化会导致裂纹，从而增加阻力。
界面退化
锂界面的化学不稳定性会降低性能。
应力累积
循环应力会导致裂纹和枝晶生长。
体积变化效果
即使很小的体积变化也会对固体界面造成压力，有失败的风险。
机械不稳定性仍然是固态电池的主要问题。裂纹和界面退化会缩短电池寿命并降低效率。
研究人员持续分析固态电解质的抗开裂和枝晶生长能力。光学系统等先进检测技术有助于识别固体电解质隔膜内枝晶的形成源。电沉积工艺的改进也提高了电极表面的均匀性，从而降低了机械故障的风险。
制造业
固态电池的制造面临着巨大的障碍，阻碍了其广泛应用。该工艺涉及复杂的步骤，且离子传导路径不明确，难以有效地实现规模化生产。截至2024年，固态电池的成本为每千瓦时400至800美元，远高于锂离子电池每千瓦时100至150美元的成本。这种成本差距源于制造工艺复杂且产量低。
目前，只有50-60%的固态电池符合质量标准，而锂离子电池的这一比例高达90%。制造商必须改进工艺控制和检测方法，以提高产量并降低成本。先进的检测技术如今能够及早发现缺陷，有助于减少浪费并提高质量。
过程控制方法的实施可提高产量并降低生产成本。
使用先进的检测技术可以在制造早期发现缺陷。
正在进行的研究重点是使固态电解质更具弹性并改善电沉积过程。
随着研发投入的增加，固态电池预计将获得更大的市场份额。到2030年，全球渗透率可能达到10%，尤其是在电动汽车和高端消费电子产品领域。持续的合作与创新将有助于克服当前的挑战，为更广泛的商业化铺平道路。
结论和常见问题解答
固态电池采用固体电解质，提供更安全、更持久的储能。它们能够为电动汽车和消费电子产品提供更高的能量密度、更快的充电速度和更高的安全性。
性能
挑战
延长电动汽车续航里程
脆性和制造复杂性
可靠的能源存储
界面稳定性问题
更安全、更快速的充电
成本和可扩展性障碍
近年来，在汽车行业的推动下，电动汽车的研究和专利活动快速增长。专家预测，电动汽车的充电速度将比锂离子电池快六倍，能量密度也将比锂离子电池高出两倍以上。
到 2030 年，技术将会成熟。
到2035年，豪华汽车将采用固态电池。
随着生产规模的扩大，其用途也越来越广泛。
固态电池有望重塑日常生活，使电动汽车更安全、更高效、更便捷。
固态电池的主要优势是什么？
固态电池能量密度更高，安全性也更高。采用固态电池的设备运行时间更长，且火灾或漏液风险更低。
固态电池的充电速度能比锂离子电池更快吗？
是的。固态电池支持快速充电。
许多原型在 80 分钟内即可充满 15% 的电量。
这一特性使其成为电动汽车和便携式电子设备的理想选择。
固态电池现在可用于消费设备吗？
大多数固态电池仍处于开发阶段。
状态
可用性
原型
限制使用
大众市场
尚未推出
制造商预计未来十年内该技术将得到更广泛的应用。
固态电池在极端温度下能工作吗？
固态电池的工作温度范围很广。它们在-50°C至125°C的温度下都能可靠运行，非常适合汽车和航空航天等恶劣环境。