【科普】固态电池基础知识详解

一、固态电池简介

半固态为过渡阶段

由于锂离子电池拥有较长的使用寿命和较高的能量密度，经常被用作交通工具的动力电池。然而，近年来锂离子电池相关安全事故却频频发生。

锂离子电池相关安全事故频发的原因主要在于，传统液态锂离子电池所使用的电解液是有机溶剂，例如，常见电解液成分大多为高易燃物质，容易引发起火、自燃和爆炸等事故。因此，学术界和产业界转向研究固态电池，尝试用不可燃的固态电解质替代可燃的电解液，以从根本上提高电池的安全性。

锂离子电池根据电解质不同可以分类为液态锂电池、固态电池两类。固态电池包括半固态电池、准固态电池和全固态电池。半固态电池是液态锂电池向全固态电池过渡的阶段，半固态电池的装车量产，能够提供一个缓冲阶段，为全固态电池产业链的提前布局打下基础。随着技术革新，混合固液电池将逐步减少液态电解质的用量，最终实现全固态的目标。

锂电池分类

• 液态锂电池

电芯在制造过程中只含有液态电解质，不含有固态电解质，包括液态锂离

子电池和液态金属锂电池。

• 凝胶电解质锂电池

属于液态锂离子电池范畴，电芯中液态电解质以凝胶电解质形式存在，不

含固态电解质。

• 半固态电池

电芯中固态电解质和液态电解质均存在，液态电解质的质量或体积比例相

对较大，电解液含量占比在 5%-10%。

• 准固态电池

电芯中固态电解质的质量在电芯中较高或者体积较大，同时含有少量液态

电解质，电解液含量占比在 0%-5%。

• 混合固液锂电池

电芯中同时存在液态电解质和固态电解质。前述半固态、准固态电池等均

为混合固液锂电池的一种。

• 全固态电池

电芯由固态电极和固态电解质材料构成。在工作温度范围内，电芯不含有

任何质量及体积分数的液态电解质，也可称为“全固态电解质锂电池”，能够

充放电循环的可进一步称为“全固态锂二次电池”或“全固态电解质锂二次电

池”。固态电池在构造上比传统液态电池要简单，固态电解质除了传导锂离子，也充当了隔膜的角色。在全固态电池中，不需要使用电解液、电解质盐、隔膜与黏接剂聚偏氟乙烯等材料，大大简化了电池的构建步骤。

（全固态电池示意图）

固态电池的工作原理与液态电池是相通的，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，此时电子通过外电路驱动电子器件。

NMC/EDC/C                                                NMC/LEzO+EDC/c-si

一、固态电池优势

固态电池安全性好

采用可燃有机电解液的传统锂离子电池，在过度充电、内部短路等异常情况下电解液会发热，有自燃甚至爆炸的危险。而固态电解质大多耐高温、不可燃，电池自燃或者爆炸的风险明显减小。不过，作为一种能量存储器件，所有电池从热力学角度来说都不可能是绝对安全的。电池实际应用中，真正决定其安全性的因素是多方面的，包括电池的电解质材料特性、电极材料特性、电池质量控制以及电池管理系统等影响因素。因此，虽然固态电解质的引入能从原理上极大提高安全性，但其后续生产的质量控制、电池管理系统依然十分重要。

固态电池能量密度高

半固态电池相较传统液态电池的能量密度更高，卫蓝新能源、国轩高科已研发出能量密度为 360Wh/kg 的半固态电池。对于正极而言，固态电解质大多数拥有较宽的电化学窗口，可以兼容更多高电压正极材料（高镍正极、镍锰尖晶石正极等）。此外，全固态电池高电压比和良好的安全性还可以让电池管理系统更为简化，最后用于新能源汽车的电池系统能量密度还可以进一步提高。

固态电池具有更加灵活的成组方式

固态电池可以采用内串的成组方式，通过将电池内部极片以串联方式连接的结构设计，实现单体电池电压的提升。具有内串结构的单体电池电压可达到多个电芯串联的电压水平，减少了包装结构的使用，提高成组效率。

固态电池有望在新能源汽车电池器件技术中更上一个台阶

除了安全性与能量密度高，新能源汽车电池器件还需要满足众多要求，例如循环寿命长、工作温度范围宽、耐挤压、耐震动等，固态电池有望通过如下方式解决这些需求：为获得高的质量能量密度，采用高能量密度嵌入化合物、硫基材料等作为正极；为获得高的体积能量密度，采用致密薄层电解质技术、高压实密度正极等；为获得长循环寿命，控制正负极体积膨胀，保持界面接触，例如采用复合电极、柔性、无定型、凝胶态界面等；为实现宽温区工作（-70~150℃），采用超离子导体、固液结合、热管理等；为提高耐挤压针刺的能力，采用不易粉化的金属锂复合电极与不易氧化、不易燃易爆的固态电解质；为提高耐震动的水平，采用含有柔韧物质或者系统减震；为降低成本、易于量产，可通过提升能量密度与寿命，使原材料易于制备，且极片和电解质层/膜易于加工，电芯易于快速制备等等。