“固态”固态电池，锂电的终极形态丨TR50持续寻找全球范围内电池领域的“聪明公司”

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来源：DeepTech深科技

锂离子电池材料体系成熟，各类产品应用场景基本确定；能量密度更高的三元电池，适合用于高端电动汽车领域；而储能领域，则偏向于安全性、成本优势更突出的磷酸铁锂电池。锂离子电池取得了长足的发展，但是面对综合要求更高的应用场景(如航空航天、国防军工等)，液态锂离子电池体系已出现瓶颈。而全固态锂电池有望从根本上解决当前液态锂离子电池安全性差和能量密度低的问题，被视为锂电的终极形态。

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根据电池能量密度理论计算公式，提高正负极材料的比容量、提高电池工作的额定电压均可以有效提高电池能量密度。

固态电池和液态电池最大区别在于电解质，一般来说，电池内液体含量 10% 这一数值是区分半固态电池和液态电池的分界线。

相比液态电池，固态电池具备更高能量密度、更高安全性、更长循环寿命、重量更轻等多种优势。能量密度方面，固态电池可做到 400wh/kg 以上，是现有液态电池的两倍。由于没有了液态的电解液，固态电池的材料体系可以有更多的可能性，比如负极采用金属锂；液体漏液漏气等安全问题也可进一步规避，从而达到更好的热稳定性。

图 | 使用（a）液体电解质的传统堆叠锂离子电池和（b）双极堆叠全固态锂离子电池示意图（来源：nature review materials）

而为了提升电池能量密度，往往需要从以下两个方面着手改善：工作电压和正负极材料克容量。固态电池可搭配更高活性及克容量的正负极材料和高压电极材料，因此对于提升电池能量密度和续航能力有着天然优势。

固态电池优势之一：能量密度高。固态电解质的电化学窗口大，其抵抗负极还原和正极氧化的能力更强，因此能够匹配更高正极和更低负极的电极材料，从而实现更高的电池能量密度。目前较为成熟的液态电池正负极搭配是高镍三元和人造石墨，克容量可达 357mAh/g；而固态电池则可以搭配更高容量的富锂锰基和硅碳负极材料，克容量极限可超过 500mAh/g。

固态电池优势之二：安全性高。固态电解质相对液态电解液燃点要高很多，且具有一定机械强度，因此电池安全性更好。而采用有机电解液的传统锂电池，因过度充电、内部微短路等异常时电解液发热、分解、胀气，会产生严重安全隐患。固态电解质的耐高温、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题等特性，可以从根本上解决漏液以及电解液分解等导致的安全问题。

固态电池优势之三：循环寿命更长。固体电解质不像液态电解液那样具备流动性，因此不会产生 SEI 膜的反复问题，有助于提升循环稳定性。而且，全固态电池中过渡金属也不易溶解，能有效避免由此导致的正极容量衰减和负极侧过渡金属沉积进而催化 SEI 膜分解等问题。

固态电池优势之四：重量轻。液态锂离子电池的电解液和隔膜对电池结构要求高，而固态电池没有了这两者的限制，可以多层正极、固态电解质和负极材料堆积，能够有效简化电池结构和封装工艺，优化整包电池的重量和体积，从而大幅提升续航能力。

固态电解质有三种技术路线：聚合物、氧化物、硫化物。

图 | 三种固态电解质性能对比(来源:《Lithium battery chemistries enabled by solid–state electrolytes》)

聚合物电解质：黏弹性好易加工，缺点是室温离子电导率低。聚合物电解质具有高安全性、高成膜性和黏弹性等优点，并与电极具有良好的接触性和相容性，是实现高安全性和高能量密度固态 Li+ 电池的重要电解质体系。目前聚合物固态电解质基体主要包括：聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)等，其中对 PEO 及其衍生物的研究最为广泛。

氧化物电解质：机械强度高、热稳定性和空气稳定性好、电化学窗口宽。氧化物电解质耐受高电压，分解温度高，机械强度好，但是室温离子电导率较低。常见的有钙钛矿（LLTO）型、石榴石(LLZO）型和钠超离子导体（sodium super ionic conductor,NASICON）型氧化物无机固态电解质。为了提升氧化物电解质的室温电导率，通常做法是元素掺杂和晶界改性。

硫化物电解质：室温电导率高，可塑性强，适用温度范围广，可以通过掺杂、包覆提高稳定性。根据其结晶状态和具体的晶体结构，目前硫化物电解质主要可以细分为五种类型，包括玻璃、玻璃－陶瓷、Thio-LISICON 型、LGPS 型和硫银锗矿型。 当前主要通过对电解质材料进行多功能掺杂设计 ，来改善硫化物电解质的物相结构，从而提升其电化学性能及空气稳定性。

全球范围内约有 60 多家制造企业、初创公司和高校科研院所致力于固态电池技术研发，主要集中在欧、美、中、日、韩。其中，硫化物路线主要靠日韩等国家，聚合物技术路线多是欧美国家进行布局，而氧化物路线的研究则多由中美两国企业和机构展开研究。

按产业国家来看，日韩的固态电池研究以传统车企和电池厂主导，如日本丰田、松下、本田，韩国 LG、SKI；美国技术路线多元，初创企业较多，典型代表为 SolidPower、Sakti3、Ionic Materials 等，其中 Ionic Materials 面向聚合物电解质布局，Sakti3 则已成长为全球氧化物固态电池龙头；欧洲近几年转为投资为主，以传统车企德国大众、宝马、博世、法国 Bollore、BatScap 等为代表在全球投资技术合作创新企业，值得注意的是，法国 Bollore 旗下的子公司 Blue Solutions 早在 2012 年就已建设了聚合物固态电池的生产线；

中国在三种固态电解质路线均有布局，但以氧化物路线居多，主要参与者既包括宁德时代、比亚迪、欣旺达、国轩高科、赣锋锂电等传统电池企业，也有以学术界领军者入局产业化为代表的初创企业，如卫蓝新能源、江苏清陶等。

从产业化进度来看，江苏清陶 2018 年就已建成首条固态锂电池产线并已投产；卫蓝新能源完成了氧化物半固态电池设计开发；赣锋锂业新型锂电池科技产业园项目正在建设中。国内半固态电池已量产装车，全固态电池技术突破正在进行中，全固态锂电池有望接棒引领新能源技术新潮。

自《麻省理工科技评论》成立之初，就一直关注那些正在颠覆现有格局并创造新的市场机会影响人类社会的技术，以及那些正在从实验室走向市场即将商业化的技术。在此基础上，也高度关注将这些技术落地，并用这些技术影响我们生活的聪明企业。

这些推动技术商业化、支撑创新人才实现梦想的企业正是《麻省理工科技评论》寻找的“聪明公司”。自 2010 年起，《麻省理工科技评论》每年都会从全球科技公司中评选出 “50 家聪明公司”（50 Smartest Companies，简称 TR50），以此洞见未来科技版图的构成。

2018 年，“50 家聪明公司”正式落地中国，从中国视野和中国立场面向全球寻找和甄别那些可能会影响世界的聪明公司。在过去的三年里，《麻省理工科技评论》中国分别以“中国支点”（2019 年）、“中国聚力”（2020 年）和“中国引领”（2021 年）为概念完成评选。2023 年，我们将继续在可持续发展的基调下，在世界范围内寻找关注“In China、By China、For China”的新兴技术创新型商业力量。

往届“50 家聪明公司”入选名单官方发布：

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好了，关于固态电池，锂电的终极形态丨TR50持续寻找全球范围内电池领域的“聪明公司”就讲到这。