新能源汽車正在快速發展。數據顯示，2024年4月，我國新能源汽車批發、零售滲透率（新能源汽車銷量占汽車總銷量的比重）雙雙突破50%。電池技術作為新能源汽車最基本的核心技術之一，其創新與發展對于新能源汽車產業起著至關重要的作用。電池的安全性、能量密度、壽命和成本等一直倍受關注。

　　全固態電池是電極材料和電解質材料完全是固體的電池，具有安全性高、能量密度高、壽命長等優點，被認為是最有可能取代傳統液態電池的新一代電池技術。中國、日本、韓國、歐盟、美國等主要經濟體均出臺了相關規劃和政策，以推動全固態電池發展。世界各大車企、電池制造商和初創企業都在積極布局全固態電池的研發，并取得了較大進展，但仍有許多難題需要攻克，產業化仍需時日。

　　能量密度及安全性與成本無法兼顧

　　目前，正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等。我國正極材料以磷酸鐵鋰和三元材料為主，產業化進展較快的日本豐田、日產和韓國三星SDI都采用了高鎳三元正極。全固態電解質電化學窗口寬，可以使用具有較高電壓平臺的正極材料。富鋰錳基正極理論容量可達320毫安時/克，電壓平臺為3.7-4.6伏，均顯著高于傳統低鎳三元和磷酸鐵鋰正極材料，被認為是全固態電池的理想正極材料。

　　但正極材料在技術發展中仍面臨能量密度、安全性能與成本無法兼顧的挑戰。正極材料與固態電解質之間的固固界面接觸不充分，會導致在充放電過程中電荷阻抗升高，影響電池性能。包覆、噴涂等技術可改善界面問題，但復雜的操作和高昂的生產成本會阻礙全固態電池產業化。

　　負極材料主要有石墨、硅碳、硅氧、鈦酸鋰等。鋰金屬具有高比容量（3861毫安時/克）、低電化學勢（-3.04伏，相對于標準氫電極）和較小的密度（0.534克/立方厘米），一直被認為是下一代高比能和可充電電池的理想負極材料。但是，鋰金屬的高活性和其表面鈍化層的鋰離子擴散能壘較高，會促進鋰枝晶的形成，枝晶會引發短路并造成電池失效。研究人員需要充分了解固態枝晶形成與生長的機理，并解決相關問題。此外，全固態鋰金屬電池的難點還在于提升電池的循環次數。目前，500瓦時/千克的鋰金屬電池大概只有幾十次的循環。

　　四類固態電解質各有優勢和不足

　　常用的固態電解質主要有硫化物、氧化物、聚合物和鹵化物等4類，各有優勢和不足。

　　硫化物電解質具有較高的電導率、較好的機械性能和熱穩定性。相較于氧化物電解質，硫化物電解質與電極匹配性較好，同時兼具適中的加工成本，是一類綜合性能較好的電解質材料，也是中、日、韓以及歐美等主要經濟體普遍關注和積極布局的技術領域。水氧穩定性差是硫化物固態電解質最突出的問題。當其暴露于水氧環境中，會產生有害氣體硫化氫，造成電解質結構破壞、電化學性能降低，致使其合成、儲存、運輸和后處理過程都嚴重依賴惰性氣氛或干燥室，不僅增加環境控制復雜性，還增加生產成本。因此，新材料開發、材料涂覆、與聚合物復合等是解決水氧穩定性問題的攻關重點。

　　氧化物固態電解質的化學穩定性好、熱穩定性高，很多企業選擇這類技術路線。但我國企業多選擇半固態氧化物電解質，如輝能科技、清陶能源、贛鋒鋰業等多家頭部固態電池企業都在大力推進氧化物固液混合電池技術。這是因為，相比全固態電池技術，半固態電池技術可兼容傳統液態電池的工藝設備，更易量產。半固態電池（液體電解質質量占比小于10%）和類固態電池（液體電解質質量占比小于5%）可作為全固態電池的過渡路線。界面阻抗高是制約氧化物全固態電池發展的最大障礙。常采用構建界面修飾層來改善界面潤濕性，或者采用放電等離子燒結技術和熱壓等技術使固體電解質致密化，從而降低界面阻抗。

　　聚合物固態電解質具有質量小、彈性好、易加工、成本低等特點，是歐美一些企業早期選擇的主要技術路線。歐洲是最早推動聚合物全固態電池產業化的地區。法國Bollore公司在2011年就實現了聚合物全固態電池的千臺裝車應用。2023年，美國初創公司Factorial Energy宣布200兆瓦時聚合物固態鋰電池中試線正式投產，并向斯特蘭提斯（Stellantis）汽車公司送樣測試。常溫下電導率低，熱穩定性、安全性低是聚合物固態電解質的主要問題。常溫下電導率低的主要原因是聚合物的離子傳輸主要發生在無定形區，其在常溫下結晶度高，而軟化溫度卻高于60攝氏度。此外，當溫度超過400攝氏度時，聚合物固態電解質會發生分解和燃燒，存在很大安全隱患。與無機填料復合、交聯改性或共混改性、引入阻燃劑等可以解決以上問題。

　　鹵化物固態電解質作為一類新興的無機固態電解質材料，相比硫化物固態電解質，其優勢在于成本低、對環境友好、高電壓正極穩定性好。鹵化物固態電解質電導率低、正極材料兼容性差、空氣/潮濕環境中穩定性差等問題有待進一步解決。

　　制備工藝復雜難以量產

　　全固態電池在安全性與可靠性方面具有一定優勢，但其制備工藝更為復雜。電解質成膜工藝是固態電池制造中的關鍵工藝，根據是否采用溶劑，可分為濕法工藝和干法工藝。當前，全固態電池可在一定程度上沿用濕法工藝，與現有產業鏈的兼容度約為50%-60%，干法工藝兼容度更低。按照載體不同，濕法工藝可分為模具支撐成膜、正極支撐成膜以及骨架支撐成膜。該工藝首先將固體電解質溶液傾倒在模具上，隨后蒸發溶劑，從而獲得固體電解質膜，通過調節溶液的體積和濃度來控制膜的厚度。

　　全固態電池在工程制造和量產方面仍面臨較大挑戰。一是要實現固態電池結構完全致密化，改善界面問題，需要特殊的高溫、高壓（數百兆帕）工藝。但目前國內沒有滿足高溫、高壓的相關設備，亟待開發與優化。二是固態電池制造對工藝環境有較高的要求。比如濕度方面，固態電池要遠高于現有液態電池的濕度要求，才能避免硫化物與水分接觸釋放硫化氫氣體，因此目前規模化生產還存在較大困難。三是固態電池工藝一致性要求更高，規模化量產需要強大的工程能力和制造經驗，生產成本較高，因此需要進一步降低成本。

　　全固態電池是新能源汽車、儲能等領域電池技術的重要發展方向，是中國、日本、韓國和歐美等主要經濟體新能源技術的研發重點。我國在固態電池界面和材料等方面取得了一定進展，但仍存在關鍵技術難題待解決、工程化制備技術待突破等重大挑戰。全固態電池的發展不僅需要結構和材料的創新，還需要工藝和設備方面的協同。應通過加大政策扶持、推動技術創新研究，明確固態電池技術優先發展方向，強化產學研合作、加速研究成果轉化，強化國際合作、探索發展新模式等，全力構建我國高安全性全固態電池科技和產業發展體系。(中國石油石油化工研究院 王紅秋 高玉李)