分析固态电池的原理

「一」

本质上，固态电池的原理和“传统”的锂电池是相同的，都是靠着锂离子在电池的正负两极之间穿梭往来，实现充放电的功能。不同的是，固态电池中的电解质是固态的，而传统锂电池的电解质是液态的。

交代一下背景：根据固态电解质材料的不同，固态电池又分成聚合物、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，氧化物与硫化物属于无机陶瓷电解质。

聚合物电解质主要由聚合物基体与锂盐构成，其优点在于高温离子电导率高，易于加工，电极界面阻抗可控。因此成为最先实现产业化的技术方向，法国的Bollore公司和中国的清陶就是这种技术路线。但这种电池的最大缺点也是低温离子导电率低，在室温下的离子电导率也是三大体系中最低的，这也就严重制约了该类型固态电池的发展。

对比聚合物有机固态电解质，包括氧化物与硫化物体系在内的无机固态电解质的电导率在室温下更高，但缺点是电解质和正负电极之间的界面电阻也远高于聚合物体系。

看似只是换了一种电解质的形态，固态电池就如此被器重。可以说固态电池之所以招人待见，就是因为其在理论上解决了当前困扰锂电池，尤其是动力电池行业的两大根本痛点，即能量密度和安全问题。

相较于传统的液态电解质电池，可以说固态电池在各方面的提升都是质的飞跃：

一、能量密度大幅提高了。

因为使用了固态电解质，之前与液态电解质兼容不好的更高性能的正负极材料就可以应用上了。例如可以将负极材料从当前的石墨换成金属锂，金属锂作为负极材料，优势天差地别的：一来负极材料换成金属锂后要比石墨材料减轻了很大用量，二来金属锂的克容量高达3860mAh/g，是石墨材料(372mAh/g)的10倍，三来金属锂是自然界电化学势最低的材料，对应的正极材料选择面更宽，可以是含锂或不含锂的化合物，也可以是硫或硫化物甚至是空气(即锂硫和锂空电池)，理论能量密度是当前锂电池的10倍以上。

此外，固态电解质的电化学窗口更宽，理论上可以达到5V，更加适应于高电压型正极材料，因为提高正极材料容量需要充电至高电压以便使其脱出更多的锂离子，而当前三元高镍材料的应用已然受到了耐高压电解液的制约，因为要提高正极材料的容量就要充到更高电压，而高电压就会把液态电解液氧化。

所以在有固态电解质之后，理论上电池的比能量就可以轻松突破350Wh/kg的天花板，甚至超越400Wh/kg。

二、安全性能大幅提升。

液态电解质中含有易燃的有机溶剂，发生内部短路时温度骤升容易引起燃烧，导致电池起火爆炸。虽然可以通过加装温控和防短路这样的安全装置起到一定预防作用，但终究是治标不治本，无法彻底解决安全问题。

而固体电解质材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，也有望克服当前困扰整个锂电池行业的锂枝晶问题。同时，固态电解质的绝缘性使得其可以把电池正极与负极阻隔，从而做到有效避免正负极接触发生短路的隐患，所以说固态电池也具有很高的安全特性。

因为固态电池具有很高的安全性，所以在系统集成时候就可以省去传统电池PACK中很大一部分热管理系统和安全管理系统，同时减少了组装壳体用料。因为成组效率得到提升，进而大幅提升整个电池PACK的系统能量密度。

三、循环寿命有效拉长。

固体电解质可以避免液态电解质在充放电过程中持续形成和生长界面膜和锂枝晶刺穿隔膜等问题，从而有大大提升了锂电池的循环次数和使用寿命。

根据目前已有的报导，薄膜型固态电池的循环次数可以达到4.5万次的水平了。

此外，固态电池还具有工作温度范围宽(可以达到300度以上)，可以叠加多个电极，使单元内串联制备12V及24V的大电压单体电芯成为可能，以及由于没有废液使二次回收更加简单安全等优势。

有这些亮眼的诸多优势，固态电池看起来美好之极。但是，历史经验告诉我们，一般前途光明的都会紧随着道路的曲折，而前途越光明，道路就越曲折。我们必须认识到的事实是，固态电池至今仍没有走出实验室阶段，对于固态电池的研究，目前还是偏学术多一些。基于工程化应用方面的技术研发甚至还处于起步阶段，而要到大规模量产和商业化，更是需要很长的一段路要走。

拿今天清陶号称已经下线的小型固态电池产品为例，业界资深从业者、一个朋友告诉笔者，“跟这差不多的小型固态电池，日本人(丰田)大概在2005年就搞出来了。一直没有大规模商业化的原因，就在于技术还远未成熟到这个地步。”