時(shí)間：2025-08-28 來源：起點(diǎn)鋰電
固態(tài)電池技術(shù)持續(xù)引發(fā)關(guān)注，但關(guān)于它的性能傳言卻真假難辨。能量密度更高？循環(huán)壽命更長？固體電解質(zhì)真能抑制鋰枝晶？本文基于郭新教授團(tuán)隊(duì)2025年8月在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表的論文《聚合物基固態(tài)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展》，一一拆解這些核心認(rèn)知誤區(qū)，還原固態(tài)電池的技術(shù)真相，帶你看清固態(tài)電池的真實(shí)技術(shù)圖景與突破路徑。
一、固態(tài)電池具有更高的能量密度？
固態(tài)電池常被認(rèn)為具有高能量密度的優(yōu)勢，但這種觀點(diǎn)實(shí)際上并不準(zhǔn)確。在搭載相同正負(fù)極材料時(shí)，由于固體電解質(zhì)比重較高，固態(tài)電池的能量密度往往不及液態(tài)電池。
下面以正極為NCM811、負(fù)極為石墨的電芯為例進(jìn)行分析（正極載量>25 mg cm?2，活性材料質(zhì)量占比達(dá)60%，負(fù)極厚度為10 μm，質(zhì)量占比小于1%，電芯尺寸為90×100 mm2，疊片結(jié)構(gòu)包含正極25層、負(fù)極26層）。假設(shè)使用10 μm厚的電解質(zhì)，且E/C比（電解質(zhì)與電池容量的比率）為1 g Ah?1的情況下，并考慮到隔膜、集流體和封裝材料等的質(zhì)量為20%，不同類型電解質(zhì)的電池能量密度表現(xiàn)出顯著差異：采用液體電解質(zhì)（如LiPF?+EC+EMC比重為1.1 g cm?1）、氧化物電解質(zhì)（如LLZO比重為3.25 g cm?1）、硫化物電解質(zhì)（如Li?PS?Cl比重為1.64 g cm?1）和聚合物電解質(zhì)（如聚丙烯酸酯類比重為1.3 g cm?1）電芯的能量密度分別計(jì)算為370 Wh kg?1、125 Wh kg?1、248 Wh kg?1和313 Wh kg?1（參見表1），這些基于理想情況的計(jì)算結(jié)果并不代表真實(shí)的能量密度，只體現(xiàn)能量密度的相對大小，由于固體電解質(zhì)比重較高，其能量密度普遍有所降低。
然而，由于聚合物電解質(zhì)與液體電解質(zhì)的比重最為接近，聚合物電解質(zhì)電池的能量密度降低幅度相對較小。氧化物和硫化物電解質(zhì)成膜困難，厚度通常需要至少50 μm以上，難以減薄至10 μm，這導(dǎo)致能量密度進(jìn)一步的降低；氧化物電芯的能量密度降為約73 Wh kg?1，而硫化物電芯的能量密度則降為約178 Wh kg?1，相比于液態(tài)電池，硫化物電芯能量密度的降幅達(dá)51.9%，而氧化物電芯能量密度的降幅更高達(dá)80.3%（參見表1）。此外，固體電解質(zhì)的導(dǎo)電性相對較差，為了保證電導(dǎo)率需求，所需的電解質(zhì)含量更多，因此E/C比可能會(huì)超過1 g Ah?1，這同樣會(huì)導(dǎo)致電芯能量密度的降低。
固態(tài)電池提升能量密度的有效策略是采用新型的正負(fù)極材料。例如，使用超薄的鋰金屬負(fù)極（10 μm）替代石墨負(fù)極，以及使用高電壓富鋰錳基正極替代三元正極材料，可以顯著提高電池的能量密度。采用聚丙烯酸類聚合物電解質(zhì)，將電解質(zhì)層厚度降至15 μm以下，控制E/C比為1 g Ah?1，采用上述方法計(jì)算得到的能量密度可達(dá)到700 Wh kg?1，顯著高于使用NCM811和石墨的液態(tài)電池的能量密度。
因此，在相同正負(fù)極體系下，固態(tài)電池的能量密度通常低于液態(tài)電池，但采用高電壓正極和高容量負(fù)極（如高鎳三元正極或富鋰錳基正極+金屬鋰負(fù)極）可突破能量密度瓶頸，實(shí)現(xiàn)更高性能。
二、固態(tài)電池具有更長的循環(huán)壽命？
固態(tài)電池的循環(huán)壽命面臨多重挑戰(zhàn)，使其難以超越傳統(tǒng)液態(tài)體系。氧化物固體電解質(zhì)因其固有的脆性導(dǎo)致電極與電解質(zhì)界面在反復(fù)充放電中易產(chǎn)生應(yīng)力積累，引發(fā)微觀裂縫甚至界面剝離，這種機(jī)械損傷會(huì)持續(xù)惡化離子傳輸路徑，加速活性材料與電解質(zhì)的隔離，最終表現(xiàn)為容量驟降與循環(huán)壽命縮短。硫化物電解質(zhì)的化學(xué)敏感性問題在長周期運(yùn)行中暴露無遺，例如正極界面處硫化物易被高電壓氧化分解，會(huì)形成阻抗層阻礙鋰離子擴(kuò)散，而負(fù)極側(cè)硫化物與金屬鋰的持續(xù)反應(yīng)更會(huì)消耗電解質(zhì)并引發(fā)孔隙率上升，導(dǎo)致電池整體性能呈現(xiàn)指數(shù)級衰退。相比之下，液體電解質(zhì)憑借流動(dòng)特性可動(dòng)態(tài)修復(fù)電極體積變化導(dǎo)致的界面缺陷，其溶劑化鋰離子傳輸機(jī)制也能緩沖局部電流密度波動(dòng)，從而在數(shù)千次循環(huán)中維持相對穩(wěn)定的界面化學(xué)環(huán)境。固態(tài)電池在界面動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力的缺失與材料本征缺陷的疊加效應(yīng)，使其循環(huán)壽命難以突破液態(tài)體系構(gòu)筑的性能天花板。
為應(yīng)對這個(gè)問題，固態(tài)離子能源科技（武漢）有限公司的聚合物固態(tài)電池通過創(chuàng)制高離子導(dǎo)電且穩(wěn)定的SEI層和CEI層，顯著抑制了正負(fù)極側(cè)的副反應(yīng)且提高了鋰離子傳導(dǎo)效率。技術(shù)數(shù)據(jù)顯示，其固態(tài)鋰電池（LiNi?.?Co?.??Mn?.??O?||Gr體系）在25 ℃、2.2C/1.0 C充放電條件下，循環(huán)3500次后容量保持率仍達(dá)77.2%，超過常規(guī)液態(tài)電池的壽命表現(xiàn)。這一突破得益于其對正極退化的有效控制和界面層設(shè)計(jì)，使電池在高能量密度下仍能維持長循環(huán)周期穩(wěn)定性，為固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化提供了重要的技術(shù)支撐。
三、固態(tài)電池具有更快的充/放電速率？
固態(tài)電池的快充性能常被寄予厚望，但其實(shí)際表現(xiàn)受限于離子電導(dǎo)率和界面行為，難以超越液態(tài)電池。氧化物固體電解質(zhì)雖具有較高的室溫離子電導(dǎo)率（~10?3 S cm?1），但其剛性界面和高界面阻抗限制了鋰離子傳輸動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)致高倍率下極化加劇，難以實(shí)現(xiàn)高效快充。硫化物固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率（~10?2 S cm?1）接近液體電解質(zhì)水平，理論上具備快充潛力，但其與正負(fù)極的界面穩(wěn)定性問題（如H?S生成）在高電流密度下尤為突出，不僅影響循環(huán)壽命，還可能引發(fā)安全隱患。
固態(tài)離子能源科技（武漢）有限公司通過分子級配位工程策略，構(gòu)建了具有梯度Li?溶劑化結(jié)構(gòu)的新型聚合物電解質(zhì)體系，加快了Li?解絡(luò)合過程，將Li?遷移活化能降至0.18 eV（較傳統(tǒng)體系下降63%），實(shí)現(xiàn)30 ℃下離子電導(dǎo)率突破2.95 ×10?3 S cm?1，基于該技術(shù)的聚合物基電池實(shí)現(xiàn)4 C倍率充電和20 C倍率放電。
四、固體電解質(zhì)能抑制鋰枝晶的生長？
固態(tài)電池常被認(rèn)為能夠通過固體電解質(zhì)的高力學(xué)強(qiáng)度抑制鋰枝晶生長，但這一觀點(diǎn)需結(jié)合不同電解質(zhì)體系的特性謹(jǐn)慎審視。產(chǎn)生鋰枝晶的關(guān)鍵因素包括電解質(zhì)的臨界電流密度（CCD）和電解質(zhì)的機(jī)械模量等。有觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)電解質(zhì)的楊氏模量大于鋰金屬的六倍（~6 GPa）時(shí)，能通過機(jī)械阻擋有效抑制枝晶生長。然而，在實(shí)際電池運(yùn)行中，臨界電流密度的高低直接影響枝晶的形成：當(dāng)電流密度超過CCD時(shí)，鋰離子的沉積速率超過其擴(kuò)散速率，導(dǎo)致局部鋰離子濃度梯度增大，從而誘發(fā)枝晶生長。氧化物固體電解質(zhì)（如LLZO）雖具有高機(jī)械模量（~150 GPa），遠(yuǎn)高于鋰金屬，理論上可通過物理阻擋抑制鋰枝晶的擴(kuò)展，但其脆性特征和界面接觸問題易導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，反而可能加速枝晶穿透，并且在高電流密度下，局部電場集中和界面阻抗的不均勻分布仍會(huì)導(dǎo)致枝晶的優(yōu)先形成和擴(kuò)展。此外，高溫?zé)Y(jié)工藝引入的晶界和微孔洞會(huì)削弱電解質(zhì)的均勻性，導(dǎo)致局部電流密度分布不均，進(jìn)一步加劇鋰枝晶的生長風(fēng)險(xiǎn)。這與憶阻器中導(dǎo)電細(xì)絲受局部電場驅(qū)動(dòng)的形成機(jī)理有相似之處：在局部電場集中區(qū)域，離子遷移速率顯著增加，導(dǎo)致離子優(yōu)先沉積并形成枝晶通道.因此，氧化物電解質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中無法抑制鋰枝晶的生長。
硫化物固體電解質(zhì)（如LPSCl）因軟質(zhì)特性可實(shí)現(xiàn)緊密的電極-電解質(zhì)界面接觸，但其較低的機(jī)械模量（~20 GPa）難以有效抵抗鋰沉積壓力，高電流密度下枝晶仍可能穿透電解質(zhì)層。此外，硫化物與鋰金屬的化學(xué)兼容性問題（如界面分解）會(huì)進(jìn)一步加劇界面阻抗和局部電流密度分布不均，導(dǎo)致枝晶生長的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)。
固態(tài)離子能源科技（武漢）有限公司通過構(gòu)建動(dòng)態(tài)自適應(yīng)聚合物電解質(zhì)體系，在聚合物電解質(zhì)中引入自愈性單體，賦予電解質(zhì)自愈特性，消除界面缺陷所帶來的不均勻Li?流，抑制枝晶生長，實(shí)現(xiàn)了鋰金屬負(fù)極/電解質(zhì)界面穩(wěn)定性與離子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)的協(xié)同優(yōu)化。
五、固態(tài)電池的發(fā)展是否遵循從液態(tài)到半固態(tài)再到全固態(tài)的發(fā)展路線？
當(dāng)前一些觀點(diǎn)認(rèn)為電池的發(fā)展應(yīng)遵循從液態(tài)到半固態(tài)再到全固態(tài)的發(fā)展路線，但這種觀點(diǎn)存在邏輯上的誤區(qū)。電池技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高性能，而非單純追求固態(tài)化。液態(tài)、半固態(tài)和全固態(tài)電池都是實(shí)現(xiàn)高性能電池的手段，而非最終目的。因此，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和政府需要重新審視電池技術(shù)發(fā)展的方向，避免將手段誤認(rèn)為目的，而應(yīng)專注于通過不同技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)高性能電池的目標(biāo)。
與液態(tài)電池相比，固態(tài)電池的真正優(yōu)勢在于高安全性和寬工作溫域。氧化物電解質(zhì)由于其不可燃的特性，提供了較高的安全性。相比之下，硫化物電解質(zhì)雖然具有較好的離子導(dǎo)電性，但其可燃性導(dǎo)致安全性有所降低。在2025年2月15日舉行的“中國全固態(tài)電池創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”上，比亞迪鋰電池有限公司發(fā)布了關(guān)于硫化物固態(tài)電池安全特性的重要研究成果。研究表明，硫化物基固態(tài)電池存在固有熱失控風(fēng)險(xiǎn)，在極端工況下會(huì)發(fā)生不可逆的熱失控現(xiàn)象，且熱失控具有過程劇烈、溫度高、速度快、超壓大的特點(diǎn)。該研究為全固態(tài)電池技術(shù)路線選擇提供了重要的安全評估依據(jù)，建議產(chǎn)業(yè)界在追求高能量密度的同時(shí)，必須建立多維度的熱管理解決方案。
另外，Yersak等人的研究證實(shí)，硫化物電解質(zhì)（如LPSCl）在熱濫用條件下（>150 ℃）會(huì)分解并釋放出可燃性硫蒸氣，接觸空氣后可被點(diǎn)燃，伴隨明亮的火焰（常觀察到藍(lán)紫色）和可能的熾熱顆粒噴射，接著材料表面形成灰化產(chǎn)物。這些灰分中包含氧化產(chǎn)物（如Li?PO?、Li?SO?等），說明此過程是一個(gè)強(qiáng)氧化反應(yīng)。該特性使其本質(zhì)區(qū)別于不可燃氧化物（如LLZO）及阻燃聚合物電解質(zhì)。聚合物電解質(zhì)通常具有阻燃特性，這也保證了電池的安全性。此外，固體電解質(zhì)在寬溫域工作方面具有明顯優(yōu)勢。液體電解質(zhì)在高溫時(shí)會(huì)揮發(fā)，在低溫時(shí)會(huì)凝固，而固體電解質(zhì)在較寬的溫度范圍內(nèi)都能保持性能穩(wěn)定。因此，固態(tài)電池的優(yōu)勢需要在更全面和深入的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行評估。
總而言之，電池技術(shù)發(fā)展應(yīng)聚焦高性能目標(biāo)而非固態(tài)化進(jìn)程，固態(tài)電池的核心優(yōu)勢在于高安全性（氧化物/聚合物電解質(zhì)不可燃）與寬溫域適應(yīng)性，但需突破離子電導(dǎo)率瓶頸并平衡材料特性（如硫化物可燃），通過多技術(shù)路徑協(xié)同優(yōu)化而非單一形態(tài)迭代實(shí)現(xiàn)突破。
圖1 固態(tài)離子能源科技（武漢）有限公司所研發(fā)的聚合物固態(tài)鋰電池的性能。(a) LiNi?.?Co?.??Mn?.??O?||Gr電池在0.2 C至4 C倍率下充電的容量-電壓曲線，在4 C倍率充電時(shí)容量保持率為0.2 C時(shí)的95.52%。(b) LiNi?.?Co?.??Mn?.??O?||Gr電池室溫下的長期循環(huán)性能，在循環(huán)3500周后的容量保持率為77.2%。(c) LiMnO?+LiCoO?||Gr電池在-40~60°C的容量-電壓曲線。(d) LiMnO?+LiCoO?||Gr電池在0.2~20 C倍率下放電的容量-電壓曲線。(e) NCM613||Gr固態(tài)電池12mm鋼針單針針刺測試。(f) 固態(tài)電池內(nèi)部展開圖。(g) 固態(tài)電池槍擊測試樣品正面圖。
固態(tài)離子能源科技（武漢）有限公司在固態(tài)電池領(lǐng)域已取得了技術(shù)突破，并積極布局產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。該企業(yè)針對新能源汽車動(dòng)力電池的里程焦慮問題，開發(fā)了一種采用LiNi?.?Co?.??Mn?.??O?作為正極材料，石墨（Gr）為負(fù)極的快充型聚合物固態(tài)鋰電池，具有260Wh kg?1的能量密度。該電池最大充電倍率達(dá)到4.0 C，相比于0.2C倍率容量保持率在95%以上（參見圖1(a)），且在3500個(gè)充放電循環(huán)后容量保持率仍達(dá)到77.2%（參見圖1(b)），顯示了優(yōu)異的快充性能和循環(huán)穩(wěn)定性。當(dāng)使用NCM811正極和硅碳負(fù)極（40%Si）時(shí)，電芯能量密度可提高至320 Wh kg?1；當(dāng)使用NCM811正極和鋰金屬負(fù)極時(shí)，電芯能量密度可提高至450 Wh kg?1，為新能源汽車提供了更高效、更可靠的動(dòng)力解決方案。
面向消費(fèi)電子應(yīng)用的聚合物固態(tài)鋰電池同樣表現(xiàn)優(yōu)異，采用LiMnO?和LiCoO?復(fù)合正極與Gr負(fù)極的電池，在-40℃極端低溫下容量保持率為55.6%（參見圖1(c)），100℃高溫下經(jīng)1 C循環(huán)150次后容量保持率達(dá)89.5%，并在20 C高倍率放電時(shí)保持52%的容量（參見圖1(d)）。在安全性方面，該固態(tài)電池體系通過了多項(xiàng)嚴(yán)苛測試。針刺測試中，NCM613||Gr電池遭受12 mm鋼針單針針刺（參見圖1(e)），僅升溫至50 ℃，未出現(xiàn)冒煙或著火現(xiàn)象，顯示出極高的安全性。此外，固態(tài)電池的拆解圖片證實(shí)其內(nèi)部無液體電解質(zhì)（參見圖1(f)）。在嚴(yán)苛的槍擊測試（承受5.8 mm普通彈射擊）后，電池樣品保持穩(wěn)定，無冒煙、起火或爆炸（參見圖5(g)）。
滬公網(wǎng)安備 31011502020151號
點(diǎn)擊咨詢
021-51036266
