固态锂电池与传统锂电池的比较分析

动力电池是新能源汽车的心脏，动力电池性能对整车性能起着决定性的作用。

在当前锂离子电池体系下，依靠高镍三元正极、硅碳负极和电解液的组合将在3-5年内达到性能极限(能量密度上限350Wh/Kg)，但仍无法彻底满足动力电池对安全性、能量密度与成本的要求。

而由于固态电池在安全性与能量密度方面具备更大潜力，近年来受到了学术界与产业界的广泛关注。

今天我们就来对固态电池的原理、优点、研发现状、前景等方面进行系统性的了解，揭示重视固态电池的必要性。

固态锂电池VS传统锂电池

固态锂电池指电池电解质部分采用固态材料的锂二次电池。固态电池与传统锂离子电池不同在于固态电池以固态电解质替代了传统锂离子电池的电解液、电解质盐、隔膜。

一直以来，安全性、能量密度和循环寿命是对动力电池的三大要求。由于固态电池在这三方面均具备优于传统锂离子电池的潜力，因此也被视为下一代电池技术：

固态电池优点一：安全性高，无自燃、爆炸风险。采用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容易导致电解液发热，有自燃甚至爆炸的危险。全固态锂电池基于固态材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，且有望克服锂枝晶现象。半固态、准固态电池仍存在一定的可燃风险，但安全性也较液态电解液电池提高。

固态电池优点二：能量密度高，有望彻底解决电动汽车里程焦虑。目前技术体系下锂离子电池已经接近性能极限，特斯拉NCA18650电芯能量密度达到250Wh/Kg，应用于Model3的21700电芯能量密度约300Wh/Kg，支持的续航里程约400至500公里，仍无法彻底解决里程焦虑。

而对于固态电池而言，一方面固态电解质无需隔膜与电解液，这两部分在传统锂离子电池中加起来占据近40%的体积和25%的质量，另一方面由于没有漏液、腐蚀等问题，可以简化电池外壳及冷却系统模块，进一步减轻电池系统重量。此外，配套新的正负极材料可以使得电化学窗口达到5V以上，可以从根本上提高能量密度，有望达到500Wh/Kg，同等电池容量的情况下有望将续航里程提高到600至700公里。

此外，固态电池还具有循环寿命长、工作温度范围宽、可快速充电等优点。

按照电解质材料的不同，固态电池可以分为聚合物、氧化物和硫化物三大体系。其中聚合物电解质属于有机电解质，氧化物和硫化物属于无机陶瓷电解质。总体来说，聚合物电解质技术最成熟，已经率先实现小规模量产，但是理论能量密度不及其他两类电解质;氧化物电解质性能优于聚合物电解质，但薄膜型氧化物电池容量较小、只能应用于消费类电子领域，非薄膜型氧化物电池技术相对还不够成熟;硫化物电解质理论上最适合于电动汽车领域，但是开发难度最大。

按照正负极材料的不同，固态电池还可以进一步分为固态锂离子电池(沿用当前锂离子电池材料体系，如石墨+硅碳负极、三元正极等)和固态锂金属电池(以金属锂为负极)。由于固态锂离子电池与当前的电池体系最为接近，日韩本身又拥有成熟的锂电产业链，因此目前日韩企业大多采用硫化物+固态锂离子电池的路线。而欧美初创企业则立足于颠覆性的技术，大多采用聚合物/氧化物+固态锂金属电池的路线。