充電時間極短，續航里程超長，很多新聞都是這樣形容固態電池的。前不久電動汽車制造商菲斯科（Fisker）申請了一項固態電池專利，有媒體報道能使電動汽車的續航能力提高到804公里，而且使充電時間也縮短到一分鐘。此前，豐田、日立等企業也都曾聲稱已申請了固體電池的相關專利。從世界范圍看，固態電池有望在2025年前后迎來商業化量產。

我們不禁要問，固態電池到底有何神奇之處？如今，固態電池相關技術突破、專利申請的新聞層出不窮，在驚嘆固態電池可以實現“極速充電+超長續航”的時候，也要看清是否能在通常條件下實現這種電池的量產推廣。分析菲斯科固態電池超高性能的實現路徑，筆者請教相關專家得出的結論是，如果采用聚合物固態電解質路線，這種極速快充很可能是建立在實驗室特殊條件（高溫充電）下試驗樣件基礎之上的。“拋開商業化談技術”都是耍流氓，在我們關注材料技術新突破時，不妨也多關注一下固態電池的生產工藝及量產設備有何等進展。

“固態”到底是個什么概念？

顧名思義，電解液在常溫下的物質形態是液體，具有一定的流動性，而所謂的固態電解質就是要將這種液態（或膠態）的分散系替換成固態電解質。

相比于具有流動性的電解液，固態電解質的特點非常明顯：

安全性極高——固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題，克服了鋰枝晶現象，因而全固態電池具有極高安全性；

能量密度提升——固態電解質比有機電解液普遍具有更寬的電化學窗口，有利于進一步提升電池的能量密度；固態電解質能阻隔鋰枝晶生長，材料應用體系范圍大幅提升，為具有更高能量密度空間的新型鋰電技術奠定基礎。

極速充電是如何做到的？

回過頭來再看Fisker的這項固態電池專利，外界傳聞“充電1分鐘續航800km”的說法過于籠統，沒有明確具體車輛和工況。筆者請教相關專家得出的結論是，如果采用聚合物固態電解質路線，這種極速快充很可能是建立在實驗室特殊條件（高溫充電）下試驗樣件基礎之上的。

按照之前報道的說法，Fisker的專利采用了所謂的“三維固態”電解質，這一點非常符合無機固態電解質的特點。雖然有些無機固態電解質（比如基于團簇離子的反鈣鈦礦鋰離子超導體）在室溫下具有可以和液態電解質相比擬的離子電導率，但是在體積變化（這就是為什么很多固態電池樣件都是做成軟包疊片電池）、界面電荷轉移電阻、靈活性和較差的循環穩定性等方面存在諸多問題。

Fisker預計它們的固態電極技術可以在2023年被用在電動汽車中，這個與大多數相關電池的公司的時間點非常契合，從世界范圍看，預計固態電池會在2020年左右能夠實現小批量的量產。寶馬聲稱有望于2026年實現固態電池突破性進展并隨后量產；豐田也正在全力研發固態電池，并且已經開發出能量密度為400 Wh/kg的電池原型，大約在2020年實現商業化應用，預計到2025年能得到實質性改善。

工藝尚未成熟

市面上常見鋰離子電池，由于電解液為有機溶劑體系，電池的正、負極需要用隔膜分隔開來，防止兩極接觸而短路，而固態電池則不需要隔膜。看似是減少了生產工藝，但實際上固態電池卻面臨著更多問題。

北京衛藍新能源科技有限公司總經理俞會根指出，由于固態電池的電解質材料均為固體，導電過程是點接觸，因此電池制造過程中需解決基于界面阻抗大、界面穩定性不良、界面應力變化等引起的問題；此外，固態電解質在充放電過程中體積膨脹和收縮，導致界面容易分離，就現階段技術水平而言，還有較大的提升空間。

為了適應不同的固態電解質，常見的磷酸鐵鋰和NMC三元鋰正極材料、石墨負極材料可能無法很好的適用與固體電解質，需要設計和構建與固態電解質相匹配的電極，研究和開發出適合于固態電解質的鋰離子電池新體系。

從理論的提出時間來看，固態電池并不是一個新的概念，但多年來，研發上的進展并沒有想象那么快速。即便能在成本上的降低，電池從實驗室到最終的量產也需要時間。日韓、美國、歐洲等多個國家的固態電池技術基本都處于小容量樣品電芯階段，量產工藝不成熟，固態電池距商業化應用還有很長的路要走。

當前，如何制備出穩定性好、電導率高的電解質材料顯得非常重要，采用固體電解質制備全固態電池可以從根本上解決鋰離子電池現有的安全問題。為了實現固體電解質的實際應用，關鍵要使其滿足以下方面的性能：

1、常溫離子電導率應達到10-3S/cm或更高；

2、具有好的電化學和化學穩定性；

3、與電極之間相容性很好；

4、多孔的結構和高的吸液率；

5、有較好的延伸率和機械強度。

正如液態鋰離子電池，在20世紀70年代，相關的理念和實驗認證就在齊頭并進地推進，但真正大規模的使用，已經是20世紀末了。

結語

作為未來動力電池技術的一個發展方向，我們現在可以對固態電池做一個簡單對概括：

1、固態電解質相比于現今常見的電解液鋰離子電池，是一種技術上的顛覆，需要設計和構建與固態電解質相匹配的電極，研究和開發出適合于固態電解質的鋰離子電池新體系；

2、固態電池的量產工藝上需要很大的改進，畢竟動力電池單體注液機已經非常成熟了，而固態電解質的添加工藝還沒有完全成型，量產設備不成熟；

3、在通常使用條件下，無機固態電解質的關鍵挑戰在于體積變化、界面電荷轉移電阻、靈活性和較差的循環穩定性等問題；聚合物固態電解質雖然克服了無機固體電解質的這些局限性（具有良好的靈活性并且能與電極緊密接觸），但是其電化學穩定窗口小、離子電導率(室溫)差。

參考文獻：

電動汽車動力電池技術研究進展 黃學杰；

鋰離子固體電解質的研究進展與產業化現狀 合肥工業大學；

Nature子刊綜述：有關鋰電池化學反應中的固態電解質。

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