转自：成都日报锦观

续航焦虑 “固态”或有解

电池电解液漏液是老电池很常见的情况。

智能手机有望成为固态电池产品普及的“先锋”。

云浪/文

10月7日，新华社接连发布两则重磅报道，聚焦我国科研人员在全固态锂电池关键界面技术领域取得的重要突破。其中来自中国科学院物理研究所的黄学杰团队联合华中科技大学、中科院宁波材料技术与工程研究所等单位，开发出一种阴离子调控技术，成功解决了全固态金属锂电池中电解质与锂电极之间难以紧密接触的世界性难题。另一项成果来自中国科学院金属研究所科研团队，该团队开发出的新型材料不仅具备高离子传输能力，还能在不同电位区间实现离子传输与存储行为的可控切换。值得关注的是，基于该材料构建的一体化柔性电池表现出优异的抗弯折性能，可承受20000次反复弯折。

10月底，更多有关固态电池技术的新闻报道接踵而来，如10月30日，清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授、贺艳兵教授团队联合天津大学杨全红教授团队在《自然》期刊再度发表重要研究成果，该团队提出的“塑性富无机固态电解质界面”设计理念，有效解决了固态电池在大电流密度和低温环境下界面失效的技术瓶颈，显著提升了固态电池的循环稳定性等……

媒体的聚焦，相关企业的技术蓝图发布，让我们深切感受到了固态电池这一新技术颇有些山雨欲来风满楼的趋势。那么固态电池到底是什么？它有着怎样的技术优势，又存在哪些技术难点？固态电池为何会被各界普遍看好？当固态电池技术成熟后，我们的生活又将迎来哪些变化？本文将一一梳理。

固态电池“固”在哪？

在提起固态电池这个概念的时候，对该技术不太熟悉的公众会感到困惑，难道电池不是固态的吗？

确实，我们生活中所接触到的电池，的的确确从外观表现上来看，都是固态的。无论是闹钟使用的5号电池，还是手机使用的电池板，抑或是电动车使用的电池矩阵，都以固态的形式出现在使用者面前。至少，在电池上，极少普通消费者看到液态或者其他形态的电池出现。

不过此固态非彼固态。相信不少人和笔者有过相似的经历，就是曾经使用的5号电池，在长期不使用或者过度放电后，电池表面会渗出一些溶液。这种溶液滴在手上，会有灼烧感，具有腐蚀性。如果用火源靠近，还可发现这种溶液非常易燃。而在专业领域，这种溶液其实就是电池内部的电解液，而固态电池，就是将液态电解液更新到了固态电解质。

1991年，索尼应用了世界上首个商用锂电池，从此之后，锂电池凭借着稳定的性能和较高的蓄电能力（能量密度），逐渐成为市场的主流。目前的电池技术，依然是以锂离子电池为基底，进行科技树的攀登的。传统的锂离子电池由四个核心部分组成：正极、负极、电解液和隔膜。其中正极材料为锂化合物，如公众熟知的三元锂、磷酸铁锂等；负极的主流材料则为石墨，同样是在今年，加入了硅元素的硅碳负极电池也处于蓬勃发展之中。在正负极之间，则以电解液进行填充，作为锂离子移动的通道，多为“锂盐+有机溶剂”的混合液体；至于隔膜，负责隔开正负极，防止直接接触短路，同时让锂离子通过。

在这个基础结构之下，充电时，外部电源推动锂离子从正极出发，穿过电解液和隔膜，到达负极并稳定驻留。同时，电子通过外部电路流向负极与锂离子结合。放电时，锂离子自发返回正极，穿过电解液和隔膜，而电子则通过外部电路回流。这一电子流动形成了可用的电流，即著名的摇椅式充放电机制。

从商业锂电池面世至今，电池的蓄电能力实际上一直处于攀升状态，不过受制于材料与结构，传统的液态锂电池容量最高在200-300Wh/kg（瓦时每千克），从目前来看，在这条科技树上基本已经攀登到了顶点，要想解决电池蓄电能力不足的问题，只有在电池材料或者电池结构上想办法。我们之前介绍的硅碳负极电池，就选择了在石墨负极上加入硅元素，来提升电池的蓄电能力。而固态电池，则选择在电解液上独辟蹊径，以固态电解质代替液态电解液，同样达到提升电池蓄电能力的目的。

这里需要指出的是，固态电池虽然都是在电解质材料上寻求突破，但对于传统电解液也不是完全放弃，根据电解质液体含量的不同，电池可以分为液态（25wt%）、半固态（5-10wt%）、准固态（0-5wt%）和全固态（0wt%）四大类，其中半固态、准固态和全固态电池都统称为固态电池。

固态电池的优势在哪？

在了解固态电池的优势之前，我们不妨来回忆一下，目前使用传统锂电池时，到底存在哪些让用户“不爽”的地方。

首先就是电池的蓄电能力已经无法满足当前的需要。比如智能手机充满电以后，一天一充已经成为常态，对于重度手机使用者来说，一天多充也不是什么稀奇事；再比如新能源车主的里程焦虑，目前的纯电新能源汽车，主流型号的实际续航里程数大多在500公里左右，这个续航里程数其实很尴尬，属于城区跑没问题，出远门要补电的范畴内。

其次是充电时间久。对于手机用户而言，因为有高功率快充的存在，还体现得不太明显，反而对新能源车主而言，就是真的有切肤之痛了，短则半小时，长则一小时的充电时长着实是一个不小的负担，如果遇到节假日充电排队，那等候的时间就更长了。

第三是安全性有待提升。电池在充放电的过程中，会不可避免地发热，如果散热不佳或者内部存在故障以及受到剧烈撞击，就可能导致电子产品发烫甚至是起火燃烧，在这一点上，手机充电发烫相信不少人都深有体会，而在新闻中曝光的新能源汽车起火的事件，网络热度也很高，特别是在我国新能源汽车产业高速发展的当下，电池安全性问题更是成为社会各界的关注焦点。

第四个就是电池衰减明显。这里所说的电池衰减其实包含两个方面，第一个是重复充放电循环后，电池蓄电能力衰减。第二个则是低温下电池蓄电能力衰减。手机用几年后电池不给力了，冬天在北方城市中新能源汽车续航无法达到标称值，都是深受使用者诟病的问题。

面对以上四个问题，固态电池技术基本都能够有效缓解。采用固态电解质后，固态电池的蓄电能力比起传统液态电池有了翻倍的提升，从目前的情况来看，固态电池的能量密度可达500-600Wh/kg。可以想象，在固态电池普及后，以手机和新能源车为代表的终端产品能够实现续航能力倍升，或者是重量的显著下降。固态电池最值得关注的改善，是其绝佳的安全性。传统电池发热发烫甚至易燃易爆，“罪魁祸首”主要还是液态电解液，更换成了不可燃的固态电解质后，有望从根本上解决电池燃烧爆炸的风险。

此外，固态电池在循环寿命以及充电效率上，技术成熟后相比传统锂电池有一定优势，有厂商在介绍自家产品时表示，未来搭载固态电池的新能源汽车，从0到80%的电量，充电时间有望压缩到15分钟左右，电池寿命也会显著延长。

固态电池为何迟迟没来？

固态电池看上去优点多多，前景广阔，但为何从20世纪70年代半固态电池就已经出现，却到了2025年仍然没有大规模普及呢？这就不得不提电极与电解液那复杂又难解的“爱恨情仇”。

如果将电池电极和电解质比作一对情侣的话，二者要能够稳定且甜蜜地在一起过日子，必然要相互补充，相互包容。在这一点上，固态的电极和液态的电解液天然就具有优势。因为液态电解液的“温柔似水”，能够与固态的电极紧密无隙地贴合包容，为锂离子架设出一条稳定的流动通道，从而实现经典的电池摇椅式充放电机制。但是固态电极和固态电解质就没有那么融洽了，因为二者固态的特性，使得这对“情侣”组合起来，固体与固体之间存在很多肉眼不可见的缝隙、孔隙，导致锂离子传导不畅，不仅电池容量的衰减很快，甚至可能因为局部的电流不均衡导致短路。

为了能让固态的锂元素电极与固态电解质能够无障碍地配合在一起，传统的做法就是通过机械装置的持续加压，依靠外力让两个很“刚”的“情侣”组合在一起。但是这样一来就又出现了更多衍生问题，比如加压装置会占据更大的重量，有数据显示，一辆配置固态电池的电动车，仅加压设备就可能占电池总重的30%，使得固态电池的续航优势被完全抵消。此外，加压设备在工作过程中也可能出现各种各样的故障，导致固态电池的耐久性和安全性优势得不到体现。

正是因为固态电池里“固固难相容”的问题，使得固态电池在过去的几十年里，一直存在于原型机的层面，多项由此衍生的技术难题得不到解决，本身的安全优势与高储能优势得不到释放。

解决问题的关键钥匙，就关联到了今年10月初我国科学家在相关领域所取得的突破之上。据新华社报道，中国科学院物理研究所的黄学杰团队联合华中科技大学、中科院宁波材料技术与工程研究所等单位，开发出一种阴离子调控技术，成功解决了全固态金属锂电池中电解质与锂电极之间难以紧密接触的世界性难题。研究人员在电解质中引入碘离子，使其在电场作用下迁移至界面，形成富碘层，主动吸引锂离子填充孔隙，从而让电极与电解质保持长期稳定的贴合。经测试，基于该技术的原型电池在数百次循环后性能依然稳定，展现出远超现有同类电池的寿命与安全性。

用通俗的话来解读，实际上就是在固态电解质里加入一定的碘元素，再利用碘离子在电池工作时，会向电极界面移动，并形成一层“富碘界面层”的特性，来解决两个固体之间接触不良的问题。“富碘界面层”的作用有两重，一是黏合剂，填补“固固组合”中一直存在且难以解决的缝隙、孔隙；二是润滑剂，让锂离子传导更顺畅。曾经需要外部机械加压物理解决的技术问题，靠着碘离子的特性通过化学手段就能更好地完成。

根据权威资料显示，中国在固态电池上的技术突破，其相关指标比起国外机构开发的同类产品有着显著的优势，而且在技术实现上难度较低，兼容性也更强，甚至只需要对当前的生产线进行小幅度的改造，就能够实现技术的普及应用。目前我国已经是全球最大的锂离子电池生产国，相关技术的突破以及未来的落地，有望让我国在固态电池技术上实现全球“领跑”。

固态电池会从哪先来？

随着我国科研机构相继在固态电池技术研发上取得成果，国内各关联企业也纷纷发布了自己的固态电池产品布局蓝图，小到手机、小型无人机，大到新能源汽车以及特种装备，涵盖范围非常广，这也预示着在不远的将来，我们的生活也会随着电池技术“质的飞跃”，进入一个全新的阶段。

那么固态电池会从哪个领域率先走进公众的生活当中呢？

从市场规律推断，最先进入生活的固态电池终端产品，应该是那些“小物件”，如手机、笔记本电脑、小型无人机、小型智能机器人等，反而那些“大件”如新能源汽车、电动垂直起降飞行器（eVTOL）等，进入日常生活的时间表会相对靠后一些。

为何会出现这种情况？这其实与生产成本是息息相关的。任何一项新技术，在商业化初期，都会面临着生产成本居高不下的问题，固态电池自然也不例外。造成高成本的原因有很多，比如专利授权开销、产品良品率、原材料成本、相关配件成本等，而且新技术关联产品的使用量越大，初期额外成本就越高。

举两个贴近生活的例子：“小物件”最大的优势就是总价低，目前主流的手机，普遍售价在2000元-10000元，就算配备了固态电池，其价格可能上涨个30%-50%，也就是贵个一两千元，多花一两千元，获得更高的手机续航能力、更好的手机使用安全性、更快的充电效率，对于普通消费者而言尚属可以接受的范围之内。但是“大件”就完全不同了，以目前国内某汽车厂商推出的150度半固态电池包为例，业内估算仅仅是电池包的成本就可能在25万元以上，再加上汽车制造的其他成本，整车售价或许会达到50万元以上。对于普通消费者而言，一边是价格30万元的传统电池技术新能源车，一边是50万元几乎同款的固态电池新能源汽车，这份价差可能就值得思量许久。

此外，新技术在落地初期，成熟性与安全性也处于提升阶段，在一些特殊产品的应用上，也需要大量的调试与实验，才能够进入真正的成熟量产阶段，其典型的例子就是社会关注度极高的电动垂直起降飞行器（eVTOL）。目前，国内的部分景区已经开展了eVTOL体验项目，游客可通过乘坐eVTOL以“全视角”纵览景区风光，但是社会对eVTOL的期望却远不止如此，对于该产品，社会的期望值是其能够在未来成为进入千家万户的“飞行汽车”。可是飞在天上和跑在地上，对于安全性的严苛程度完全是不同的层级，虽然固态电池能够很好地满足eVTOL的续航、减重、快充等需求，但可靠性依然需要时间来进行充分的调试与改善。

对于配置固态电池终端产品的成熟与普及，未来更可能是分阶段、分场景的应用，而并非在短期内全面铺开，我们对这项新技术也应该多一点耐心、多一点信心。

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