新能源汽车全固态锂电池技术

摘要：全固态锂电池技术，从之前的液态锂电池到半固态锂电池，提高了更高的一个层面。固态锂电池的化学稳定性更高，即使在受到极端的高温低温和挤压的工况下也是没有安全隐患。固态锂电池拥有更好的综合性能。传统锂离子电池电解液有泄露的风险，且在温度过高时有自燃和爆炸的危险。固态电池还可在一定程度上抑制锂枝晶的生长，同时具有循环寿命长、结构紧凑、规模可调、设计弹性大、易于包装等特点，符合未来大容量新型化学储能技术发展的方向。

关键词：全固态锂电池；锂枝晶；安全性；固体电解质

中图分类号：TM911    文献标志码：A

引言

新能源汽车越来越普及，动力电池是影响新能源汽车性能的核心部件。为了提高新能源汽车的动力安全和续航问题，提出全固态锂电池技术具有重大的意义，能够很好的解决目前新能源汽车电池在这续航和安全这一方面所面临的问题。进一步优化了新能源汽车在电池这一方面的短板问题。提高了之前锂电池的能量密度和新能源汽车的续航和安全性，使其技术逐渐趋于成熟。

近年来，随着固态锂电池的商业化进程加快，各大公司和科研机构在固态电解质、正负极材料等关键技术方面取得了一系列突破。研发进展：例如，日本的住友电气和三菱化学等公司已经在固态锂电池领域取得了一定的技术优势，并在小规模生产中取得了成功。合作研究：一些国际科研机构，如麻省理工学院、斯坦福大学等，也在固态锂电池领域进行了广泛的研究合作，推动了该领域的技术进步。国内：研发环境：近年来，国内政府和企业对固态锂电池的研发给予了高度关注，相关研究项目得到了政策和资金的支持。技术研究：国内的研究机构和高校在固态锂电池的关键技术，如固态电解质、正负极材料等方面也取得了一定的进展。

国内一些企业与高校和研究机构建立了产学研合作关系，共同推动固态锂电池的研发和产业化。固态锂电池的研究意义在于：提高能量密度：相较于传统的液态锂电池，固态锂电池具有更高的能量密度和更长的循环寿命，能够满足人们对移动设备更高能量需求的要求。降低安全风险：固态电解质相比液态电解质更安全，不易发生燃烧和爆炸，有助于降低电池的安全风险。环境友好：固态锂电池的研发有助于减少电池生产过程中的环境污染问题。推动新能源汽车的发展：固态锂电池的进一步发展有望推动新能源汽车行业的发展，降低电池成本并提高其安全性。

1.新能源汽车全固态锂电池的研究现状及概述

1.1研究现状

技术原理突破：全固态电池采用固态电解质如图1. 1，锂离子在其中传导路径更稳定，能与正负极材料更好结合，减少界面电阻，提升电池性能。性能优势凸显：能量密度方面，普通液态锂电池能量密度每千克200-300瓦时，全固态电池目标达每千克400瓦时及以上，可大幅增加续航里程；安全性上，固态电解质化学性质稳定，基本杜绝了液态锂电池电解液易燃易爆带来的安全隐患。研发进展加快：众多车企和科研机构积极投入研发。通过表面和形貌调控策略，提高了材料稳定性，改善了电池的循环寿命和容量保持率。

1.2概述

全固态锂电池被认为是新能源汽车电池技术的未来发展方向。它能解决液态锂电池能量密度提升困难、安全性差等问题，还可推动汽车设计变革，使车型更时尚、节能。不过，全固态电池目前也面临成本高、生产工艺和设备需优化等挑战。但随着技术进步和规模化生产，这些问题有望逐步解决，其大规模应用将深刻改变新能源汽车行业的发展格局[1]。

2.固态电解质的研究及分类

2.1固体电解质的研究

（1）分类研究无机固态电解质：如氧化物、硫酸盐、磷酸盐等，离子迁移率较高，但热稳定性较差。有机固态电解质：由有机分子组成，如聚合物、聚酰亚胺等，热稳定性和可加工性好，但离子迁移率较低。金属有机骨架电解质：由金属原子和有机分子通过共价键或离子键结合形成，具有高导电性和良好的热稳定性。复合固态电解质：由两种或多种不同的固态电解质组合而成，可实现特定的性能优化。

（2）制备方法研究蒸发沉积法：将溶剂中的离子或分子蒸发成气态，然后在固体表面沉积形成固态电解质，适用于制备高浓度、均匀分布的固态电解质，但操作难度大。化学气相沉积法：将气体中的分子或原子沉积到基底上形成固态电解质，分辨率和可控性高，但设备昂贵且可能产生有害副产物。溶胶-凝胶法：通过溶胶中的离子或分子化学反应转化为凝胶中的固体颗粒形成固态电解质，可调控性和生物相容性良好，但制备过程复杂且受环境影响大。性能优化研究

（3）通过改变固态电解质的结构、添加添加剂等方式来提高其导电性和离子传输效率；研究固态电解质与电极材料的相互作用机制，解决界面电阻问题，以实现更高效的能源存储和转换；探索新型固态电解质在锂硫电池、钙钛矿太阳能电池等更多领域的应用。应用研究固态电解质在锂离子电池、钠离子电池、氢能储存与传输等领域具有广泛的应用前景。例如，在锂离子电池中，固态电解质可有效抑制锂枝晶生长，提高电池的安全性和能量密度。

2.2固体电解质的分类

（1）无机固体电解质氧化物电解质：如钙钛矿型、NASICON型等。钙钛矿型氧化物电解质具有较高的离子电导率和良好的化学稳定性；NASICON型电解质结构稳定，离子传导性能优良。硫化物电解质：具有较高的离子电导率[2]，如硫代磷酸锂等。其晶体结构有利于锂离子的快速传输，但部分硫化物电解质存在易氧化、对空气敏感等问题。

（2）有机固体电解质聚合物电解质：通常由高分子聚合物与锂盐复合而成，如聚氧化乙烯（PEO）基电解质。具有良好的柔韧性、成膜性和化学稳定性，但离子电导率相对较低，且在高温下可能出现性能变化。

（3）复合固体电解质由无机电解质和有机聚合物通过物理或化学方法复合而成。它综合了无机电解质高离子电导率和有机聚合物良好柔韧性、界面相容性的优点，能有效改善单一电解质的性能缺陷。例如，在聚合物中添加纳米级的无机颗粒，可以提高复合电解质的离子电导率和机械性能。

其中有机的优点主要是它更加具有安全性能，可制成多种形式，蒸汽轧制法还可以简化生产工艺，制备更容易；电极温度范围窄，电极与电解液的界面不够稳定，力学性能得不到保持，与此同时，聚合物当中的固体电解质极容易产生结晶的现象，这种现象主要是由于整个界面的化学反应以及部分位置产生温度变化的影响，整个电解质产生改变，从而使得界面的电阻增大，最终出现断开问题。对于无极的固体电解质，其拥有着容易蒸发、机械强度高、不泄漏、不易燃、耐温性好等优点。值得注意的是，这种拥有着无机固体电解质性能的电池，主要是在相应的无机材料当中进行收集从而制作的，具有明显的循环性能和储存时间优势，这是各类微电子电池的首选电源[3]。

3.全固态电池的安全性

固态电池在安全性方面具有显著优势，主要体现在以下几个方面：

（1）不易燃爆：固态电池采用固态电解质，不含有机液态电解液，从根本上避免了因电解液泄漏、挥发而引发的燃烧和爆炸风险。

（2）热稳定性好：固态电解质具有较高的热稳定性，能承受更高的温度而不发生分解或相变，可有效降低电池在高温环境下热失控的可能性。

（3）抑制锂枝晶生长：固态电解质能提供更均匀的锂离子传输通道，有助于抑制锂枝晶的生长。锂枝晶若穿透电池隔膜，会导致正负极短路，而固态电池在这方面的风险较低。

（4）机械强度高：部分固态电解质具有较高的机械强度，能够承受一定程度的外力挤压、穿刺而不易破裂，从而减少了因电池内部短路引发安全问题的概率。

不过，固态电池也并非绝对安全。例如，固态电池在长期使用过程中，固态电解质与电极之间的界面可能会出现不稳定现象，影响电池性能甚至引发安全问题。此外，生产过程中的工艺缺陷、杂质混入等也可能对固态电池的安全性产生不利影响。

4.全固态锂电池技术的优化及优缺点

4.1全固态锂电池技术优化

全固态锂电池在性能优化方面有诸多探索，同时也具有明显的优缺点，具体如下：

（1）优化方向，提高离子电导率：通过开发新型固态电解质材料、优化材料的晶体结构和制备工艺等方法，增加锂离子在固态电解质中的传输速度，以提升电池的充放电性能。

（2）改善界面相容性：研究电极与固态电解质之间的界面相互作用，采用表面修饰、添加中间层等技术，降低界面电阻，提高电池的循环稳定性和倍率性能。

（3）提升机械性能：增强固态电解质的韧性和强度，使其能够承受电池充放电过程中的体积变化和外部压力，减少因机械损伤导致的电池性能下降。

4.2全固态锂电池的优缺点优点

（1）优点：高能量密度：可采用锂金属等高性能负极材料，且固态电解质能与电极材料更好地结合，使电池结构更紧凑，能量密度显著提高，如前文提到的部分实验室研发的固态电池能量密度已达400Wh/kg以上[4]。高安全性：固态电解质不可燃、不挥发，热稳定性好，能有效抑制锂枝晶生长，降低了电池热失控和短路的风险。长循环寿命：在充放电过程中，固态电池内部结构相对稳定，电极材料不易发生变形和脱落，有助于延长电池的循环使用寿命。

（2）缺点高成本：固态电解质等材料的制备工艺复杂，对生产设备要求高，导致电池成本居高不下，限制了其大规模商业化应用。低离子电导率：虽然近年来固态电解质的离子电导率有所提高，但在低温下仍相对较低，影响电池的充放电效率和性能。界面问题：电极与固态电解质之间的界面接触不够理想，存在较高的界面电阻，这会导致电池在充放电过程中产生较大的极化，降低电池的能量转换效率。

5.结语

新能源汽车的全固态锂电池技术还有待提高，全固态锂电池凭借高能量密度、卓越安全性和长循环寿命等特性，已成为新能源领域极具潜力的技术方向，有望彻底革新传统储能格局。当前，科研人员在固态电解质材料开发、界面优化及工艺创新等方面已取得显著突破，实验室中能量密度不断攀升，部分体系的循环稳定性也达到新高度，这些成果为技术走向产业化奠定了坚实基础。然而，全固态锂电池技术距离大规模商业化应用仍面临诸多挑战。成本居高不下、低温离子传导性能不佳、界面阻抗难以有效控制等问题，制约着其在电动汽车、大规模储能等领域的广泛应用。此外，从实验室成果到工业化量产，还需攻克材料规模化制备、生产设备适配及质量控制体系构建等难题。

展望未来，全固态锂电池技术的发展需要多学科深度交叉融合，材料科学、电化学、工程技术等领域需协同创新。一方面，持续探索新型高性能固态电解质与电极材料，优化材料设计与合成工艺；另一方面，通过产学研合作，加速技术成果转化，完善产业链布局。随着技术的不断进步与成本的逐步降低，全固态锂电池有望在21世纪的能源变革中发挥核心作用，为实现全球碳中和目标、推动新能源产业可持续发展提供关键技术支撑。

参考文献：

[1]陈龙，黄少博，邱景义，等.聚合物固态锂电池电解质/负极界面[J].化学进展，2021，33（08）：1378-1389.

[2]夏恒恒，孙超，赵重任，等.固态超级电容器的研究进展[J].电子元件与材料，2022，41（12）：1272-1285.DOI：10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.0235.

[3]孔东波.全固态锂电池研究进展[J].当代化工研究，2021，（14）：175-176.

[4]黎冲森.固态电池赛道风口来临？[J].汽车纵横，2024，（07）：44-49.

第一作者简介：姓名：杨易军，出生年月：2002.04.男，民族：土家，籍贯：贵州铜仁，学历：本科，研究方向：新能源汽车。