问题描述

全固态锂二次电池采用具有离子传输能力的致密固态电解质完全替代锂电池用的有机电解液，可大幅度提升电池的安全性能，同时固态电解质还可兼容无法在液态电池中使用的高比能量正负极材料，理论上固态电池比能量可达到现有锂离子电池的2-3倍。目前，固态电池已成为各国争先角逐的新能源汽车热点技术，日本、美国、韩国等均在近5年内加大固态电池研发投入力度，预测2025-2030年将实现产品化技术突破，但目前全球尚未制备出比能量超过液态锂离子电池的全固态电池。

区别于传统电池中活性材料与电解液的固-液界面接触，固态电池中材料颗粒之间为固-固界面接触模式，这导致界面分离或高界面电阻会限制电池比能量和倍率性能发挥。如何形成稳定致密的接触界面、抑制电极体积效应、增加各组分机械强度、提高界面稳定性和动力学性能已成为固态电池的关键问题。与液态锂离子电池和继承液态电池的半固态电池相比，全固态电池是革命性的技术，其材料、结构和制造工艺装备可继承的不多，需要突破电极、电解质、界面工程、封装等技术，挑战非常艰巨。实现全固态电池工程化，使二次电池比能量由目前的300Wh/kg提升倍增到600Wh/kg，可快速推动电动汽车及电动飞机的发展，对保障能源安全和节能减排具有重要意义。

问题背景

锂离子电池具有高比能量、长寿命的特点，已成为电动汽车动力电池的不二之选。目前的锂离子电池采用有机溶剂电解液，最高比能量已达到300Wh/kg，继续提升的空间有限，因为更高比能量的电池与安全性的矛盾不易解决。全固态锂二次电池以无机固态电解质完全替代有机电解液，可大幅度提升电池的安全性能，还可兼容无法在液态电池中使用的高比能量正负极材料，理论上固态电池比能量可达到现有锂离子电池的2-3倍。

全固态电池完全使用固体传输锂离子，电池内部体积效应以及固体电解质之间存在固-固界面问题限制了动力学性能。对于全固态电池，已有的锂离子电池材料、结构和制造工艺装备可继承的不多，需要突破电极、电解质、界面工程、封装等技术，使得目前全固态电池的研究挑战难度大。

多数固态电池初创企业退而求其次，在全固态电池内部添加部分电解液改善界面做成半固态电池，其制备方法对于目前传统锂离子电池工艺兼容研究难度相对较低，通过减少电池内部液态电解质的含量是可在一定程度上提升电池比能量和安全性，但是没有本质上解决含有电解液带来的潜在安全隐患，电性能还不能达到高端锂离子电池的水平。

最新进展（截止问题发布年度）

日本方面，丰田牵头联合日立造船、日本电子等多家企业和高校研究机构开展基于硫化物固态电池为核心的研究，目前丰田在固态电池领域研究已持续近10年，预计其产品推出时间为2022-2025年间。虽然产业化还存在高难度挑战，但其在固态电池中硫化物电解质领域的研究和工业化探索方面仍处于国际领先地位，丰田表示固态技术的应用前景乐观，但仍需时间进行深入研究和工艺摸索。

美国方面，Solid Power、Seeo、Sakti3、QuantumScape、Infinite Power Solutions和24M等多家固态电池研究公司已获得有数十亿美元支持，现阶段均未有量产固态电池实际产品。目前，美国公布的固态电池研究方向涵盖所有固态电池技术路线，各公司研究进展和具体技术路线还未明确。

韩国方面，目前将研究重点集中在电解质和金属锂方面，开发基于现有三元正极材料体系的固态电池，如三星近期报道用银碳混合锂负极提升了固态电池的循环寿命。

中国方面，近年来中国已有多家半固态电池初创公司成立，其中卫蓝新能源、清陶、赣锋锂业、台湾辉能等公司已分别开发出半固态电池样品，中科院物理所、宁波材料所、上海硅酸盐所、中电十八所及多所高校研究的全固态电池尚在实验室研发中。

截至目前，全球尚未开发出在比能量性能方面可以与现有高比能锂离子电池相媲美的全固态电池，而目前由商业公司所发布的相比于有锂离子电池具有部分优势的固态电池数据均来自于为半固态电池，但整体性能优势尚不明显。

目前，全固态电池主要采用高离子电导率固体电解质或复合固体电解质，来弥补实际室温电导率和接触特性劣于传统电池的电解液问题。主要策略是开发仅适用固态电池的正极材料，在正极材料表面形成固体电解质包覆层以构筑一体化电极，并尽可能减薄电解质厚度实现有强度的中间层，同时利用多层复合电解质拓宽适用电压窗口。但由于不添加电解液，固-固界面的接触稳定性、空间电荷层、颗粒间体积效应、金属锂枝晶生长等问题仍是限制全固态电池发展的核心问题。

重要意义

按照目前发展速度，10年后固态电池市场可能将逐步替代锂离子电池市场。固态锂二次电池采用固体电解质取代传统电解液，由于材料体系兼容性和热稳定性良好，从而在能量密度和安全性上均可实现大幅度提升，固态电池比能量可达到现有锂离子电池的2-3倍。目前，固态电池已成为各国争先角逐的新能源热点技术，行业共识的发展路线是继续提升电极和电解质材料的综合性能，设计新型集流体/电极/电解质复合结构，发展异于现有电池生产工艺的新型制造工艺和装备，逐步推进电池制造技术，并在未来5-10年内实现固态电池的产业化，应用领域从小型便携式电子设备发展到动力和储能领域，预计2030年度全球市场规模可达到数百亿甚至数千亿美元。