見證 | 全固態電池商業化，中國邁出決定性一步

國慶期間，當幾千萬臺新能源車集體出行時，“充電難”這個難以避免的煩惱就出現了。

相比于早幾年，盡管當下的充電設施無論是性能，還是數量都有了大幅度提升，但由于中國新能源汽車數量實在龐大，且受限于當前動力電池的技術瓶頸，補能速度和能量密度均面臨天花板。

不過，好消息是，就在國慶的最后一天，新華社發布了一篇重磅報道《全固態金屬鋰電池，重要突破！》。新聞稱，中國科學院物理研究所研究員黃學杰團隊聯合華中科技大學、中國科學院寧波材料技術與工程研究所等組成的研究團隊開發出一種陰離子調控技術，解決了全固態金屬鋰電池中電解質和鋰電極之間難以緊密接觸的難題。相關研究成果已于10月7日發表在國際學術期刊《自然-可持續發展》上。

就連美國馬里蘭大學教授、固態電池專家王春生也評價道：“該研究解決了制約全固態電池商業化的關鍵瓶頸問題，為實現其實用化邁出了決定性一步。”

一直以來，固態電池都是“雷聲大雨點小”。這一次，大雨真的要落下了嗎？

01

液態電池永遠的“痛”

電池作為新能源汽車的“三大件”之一，可以說，如果沒有動力電池，就沒有新能源汽車對傳統燃油車的顛覆。

但其實，電池早在100多年前就出現了。

1859年，法國物理學家加斯頓·普蘭特發明鉛酸電池。它笨重（能量密度僅30Wh/kg）、易漏液，但因成本低。

1991年，索尼推出首款商用鋰離子電池（液態電解質），能量密度躍升至100Wh/kg，徹底改變了消費電子行業。

2010年后，三元鋰、磷酸鐵鋰電池讓電動車續航突破500公里。這也是目前電動汽車上使用的主流電池。其內部主要由正極、負極、液態電解質和隔膜構成。正極材料包括鋰鈷氧化物、鎳鈷錳氧化物等，而負極材料則主要為石墨。其電解質通常為含鋰鹽的有機溶液（如LiPF6溶于碳酸乙烯酯）。

液態電池的工作原理基于鋰離子在液態電解質中的遷移。充電時，鋰離子從正極脫嵌，通過液態電解質遷移到負極并嵌入；電子則通過外電路從正極流向負極。放電時，鋰離子從負極脫嵌，通過液態電解質遷移到正極并嵌入；電子則通過外電路從負極流向正極。液態電池中的液態電解質為鋰離子的遷移提供了良好的通道，但同時也帶來了泄漏和燃燒的風險。

液態電池使用的有機電解液（如LiPF6 溶解于碳酸酯類溶劑）閃點低于40℃，在過充、短路或機械損傷時容易引發熱失控，溫度超過130℃即可發生自燃甚至爆炸。這也是為什么近年來電動車自燃的新聞時常見諸報端。

除了存在安全隱患，能量密度相對較低也是飽受新能源車主們的詬病。經過近20年迭代，當前主流三元鋰電池能量密度約250-300Wh/kg，磷酸鐵鋰約180-200Wh/kg。通過高鎳正極（Ni≥90%）和硅碳負極（比容量420mAh/g）組合，理論極限約350Wh/kg。這也導致目前市面上在售的新能源汽車實際續航里程普遍在600公里上下，很難突破1000公里。

當液態電池已經觸及了物理性能的天花板時，于是人們就把目光投向了更加誘人的固態電池。

顧名思義，固態電池就是用固態電解質（硫化物/氧化物/聚合物）替代液態電解液，構建全固態結構。這種設計不僅消除漏液隱患，同時擁有更高的能量密度。目前實驗室數據已達400-500Wh/kg（如QuantumScape的硫化物體系）。若采用鋰金屬負極+高鎳正極，理論能量密度可突破600Wh/kg。這相當于將Model 3（參數丨圖片）電池包從60kWh縮減至35kWh仍保持700km續航。

與此同時，固態電池還擁有更高的安全性。相比于液態電解質，固態電解質很難燃燒爆炸。不同成分的固態電解質耐熱極限差異較大(400度—1800度不等)，但均顯著高于液態電池隔膜的耐熱極限(160度)。

聽起來一切都十分美好，然而固態電池也有固態電池的“痛”。這也是為什么近年來車企的固態電池總是“只聽樓梯響，不見人下來”的根本原因。

02

打破固態電池的“瓶頸”

全固態金屬鋰電池被譽為下一代儲能技術的“圣杯”。但這只“圣杯”還有一個“瓶頸”要突破，那就是“固-固接觸”的世紀難題。

畢竟固態電池之所以性能優異，一個重要原因就是它采用了固態電解質，然而這也是制約固態電池商業化量產的關鍵所在。

與可以自由滲透到電極中并形成良好的離子傳導網絡的液態電解質不同，固態電解質由于其非流變性的物質狀態而不能自發地滲透到電極材料的間隙中，使得電極與電解質接觸面積小、離子傳輸路徑不足。此外，電極和電解質粗糙的表面上存在大量的突起和孔洞，這會導致界面接觸的進一步惡化。

正負極材料在循環過程中體積變化也是誘導接觸問題產生的重要原因。大多數電極材料在充放電過程中會產生嚴重的體積變化，而固態電解質是一個剛性結構，無法通過很好的形變來適應電極的體積變化，若固態電解質和電極界面產生空隙，就無法進行有效的離子傳輸，從而影響全固態電池持續高效的工作。

理論上，固態電解質與正負極的貼合度需控制在5微米內（頭發絲的1/20）。如何才能讓金屬鋰電極和固體電解質之間保持緊密接觸？傳統的辦法非常簡單：依靠外部設備持續施加壓力，壓力需要超過5兆帕（相當于50個大氣壓）。

但顯然，這是一個“笨”辦法。直接導致電池系統又大又重，完全喪失了全固態電池本應具有的優勢。

那有沒有聰明的辦法呢？答案是有的。只是幾十年來全球的科學家們一直沒有找到而已。

直到10月7日新華社的一則報道，將中國研究團隊的“聰明辦法”公布了出來。新華社稱，中國研究團隊開發出一種陰離子調控技術，解決了全固態金屬鋰電池中電解質和鋰電極之間難以緊密接觸的難題，為其走向實用化提供了關鍵技術支撐。

比起傳統的外部“加壓”方法，中國研究團隊決定從材料“內部”突破。研究團隊在硫化物電解質中引入碘離子。電池工作時，這些碘離子在電場作用下移動至電極界面，形成一層富碘界面。這層界面能夠主動吸引鋰離子，像“流沙”一樣自動填充所有的縫隙和孔洞，實現“自我修復”般的緊密貼合。

這項技術被稱為“動態自適應界面（DAI）”，它從根本上改變了依賴外部壓力維持界面接觸的傳統思路。

根據研究團隊在《自然·可持續發展》期刊上發表的論文，基于新技術的原型電池在標準測試條件下循環充放電數百次后，性能依然穩定優異，“遠遠超過現有同類電池的水平”。

研究團隊特別強調，采用這項新技術未來可以做出能量密度超過500Wh/kg的電池。須知，目前主流電動車的電池能量密度僅有250-300Wh/kg。這項技術幾乎讓電池的能量密度直接翻倍，這也意味著可以讓目前的電動車續航輕易突破到1000公里。

它不僅解決了續航里程問題，還大大縮短了充電時間。研究人員表示，基于新技術的電池支持快充，充電速度有望比現有電池提高數倍。

除了性能優異，成本上也有優勢。因為新技術采用引入碘離子的方法，不會增加全固態金屬鋰電池成本。相反，由于省去了笨重的外部加壓設備，電池系統的總體成本可能反而會降低。

同時，富碘界面與金屬鋰化學穩定性好，對全固態金屬鋰安全性提升有利。

據悉，這項研究成果已獲得中國發明專利授權，正在申請國際專利。這意味著，中國企業在全球固態電池專利戰中已經占據了有利位置。

03

改變行業格局的“撒手锏”

在這項技術突破之前，互聯網上一直有一種擔憂：盡管當下中國新能源汽車處于全球領先位置，可一旦豐田等國外車企把固態電池搞出來，那么中國新能源汽車的先發優勢就會瞬間灰飛煙滅。

這也不怪網友們擔心。事實上，日本豐田是固態電池的“最早玩家”。2010年，豐田宣布研發固態電池，目標是“2020年量產”。2015年，其實驗室數據曝光：硫化物固態電池能量密度達400Wh/kg，循環壽命超1000次。

不過豐田很快發現：固態電池的“量產難度”遠超預期——固體電解質與正負極的界面阻抗大，循環過程中易開裂，成本更是液態電池的5倍以上。于是豐田將量產時間推遲至2025年。2023年，豐田發布全新固態電池原型，能量密度600Wh/kg，充電10分鐘充至80%，計劃2027年大規模量產。

不只是日本，美國和歐洲也紛紛押注固態電池。比如美國QuantumScape押注硫化物路線，2020年發布10層固態電池原型，能量密度500Wh/kg，充電15分鐘充至80%。大眾集團豪擲30億美元投資，計劃2025年裝車。歐洲的寶馬和奔馳則聯合Solid Power研發氧化物固態電池，目標2025年實現小批量生產。

顯然，如果日本、美國或者歐洲領先中國量產了可以大規模商業化的固態電池，那么中國的新能源汽車產業必然會受到不利影響，甚至國外車企可以依靠固態電池在一夜之間抹平于中國新能源汽車的差距。

當然，中國企業在固態電池領域也有諸多進展。其中寧德時代憑借硫化物+鹵化物復合電解質體系，能量密度成功突破500Wh/kg。贛鋒鋰業第三代全固態電池能量密度420Wh/kg，硫化物電解質實現百噸級量產。國軒高科的硫化物全固態電池“金石電池”能量密度已達到360Wh/kg，并成功通過200°C 極端安全測試，計劃在2025年啟動裝車驗證，且已獲得大眾MEB +平臺認證。清陶能源計劃在2025年規劃產能超10GWh，其半固態電池能量密度達到360Wh/kg，搭載智己L6 支持準900V超快充。

但在固態電池領域，說起來容易，真正做出來卻無比艱難。就在外國企業仍舊卡在“固-固接觸”這個瓶頸時，中國科學院物理研究所的這項技術，首次實現了零外壓全固態金屬鋰軟包電池穩定循環。這意味著中國在全球固態電池技術競爭中已經取得領先地位，有望在下一代電池技術中占據主導地位。

對于中國新能源汽車產業來說，這無疑是個好消息。

04

尾聲：顛覆的不只是電動汽車

當下，電力正在改變這個世界。

不論是新能源汽車顛覆傳統燃油車，還是電動航空器顛覆燃油飛行器，亦或者具身智能，都對電池提出了極高的要求，目前的液態電池也成為了制約這些科技產品發揮全部能力的瓶頸。比如如今風頭正盛的eVTOL能量密度要求400Wh/kg以上，傳統的液態電池顯然難以企及。

因此，全固態電池作為電池塔尖的技術，它的突破影響的不只是電動汽車這個行業。

這次中國研究團隊的技術突破，解決了制約全固態電池商業化的關鍵瓶頸問題。未來有望為人形機器人、電動航空、電動汽車等領域帶來更安全高效的能源解決方案。