固态电池那么好，为什么就是难产？

在新能源车领域，固态电池无疑是目前最具颠覆性的技术，按照丰田之前公布的信息，搭载固态电池的车型续航里程将超过1000km，并且充电时间仅需10分钟。很显然，随着固态电池的普及，电动车的续航和充电都不是问题了。然而时间一晃数年过去了，如今搭载固态电池的车型寥寥可数，而且还是打了折扣的半固态技术。大厂PPT中的颠覆性纯固态电池，如今为何陷入难产呢？

在介绍固态电池之前，我们有必要先了解锂电池的基本构成。简单来说，如今的锂电池主要由正极、负极、电解质、隔膜这四部分构成。根据电解质的不同，锂电池又可以分为液态和固态这两种。如今我们所使用的锂电池，基本都是液态电解质（也叫电解液），而未来具有颠覆性的固态电池，实际上就是把液态电解质变为了固态。

熟悉电池的朋友都知道，电池有个非常重要的性能指标叫做--能量密度，这一指标越高就说明在同等重量下电池储存的能量更多。提高电池能量密度的诀窍主要有两点，那就是使用高比能、高电压的电极材料。首先来看看高比能材料，目前液态电池所使用的石墨负极，理论比容量只有372mA·h/g，而锂电池的理想负极材料--锂金属，它的理论比容量达到了3860mA·h/g，二者相差近10倍。

既然锂金属的比容量这么高，那为啥液态电池不将它作为负极材料呢？这背后的原因其实很无奈，简单来说，金属锂负极在充电过程中会产生锂枝晶，日积月累后锂枝晶可能会刺穿电池隔膜，从而导致电池短路、爆炸。另外即便电池没有出现短路，金属锂负极也可能会与电解液产生化学反应，从而不断消耗电极和电解液，最终导致电池寿命大幅缩短。不难看出，液态电池与高比能电极材料的兼容性并不好。

高比能电极材料在液态电池上行不通，那么采用高电压的电极材料是否可行呢？大家都知道，手机、电脑上的电池标的是【容量】，单位是毫安时（mA·h），但汽车电池标的是【能量】，单位是千瓦时（kW·h）。二者的关系非常简单，电池能量=电池容量x电池电压，所以只要提高单体电池的电压，那么整个电池包的能量密度就上去了。

在电池设计中，单体电池的电压是由电极材料自身的电压大小决定的。比如大家比较熟悉的磷酸铁锂电池，它的正极电压在3.6V左右，而三元锂电池的正极电压为4.2V左右。单单从电压这一项就可以看出来，三元锂电池在能量密度方面占有优势。

但如果要进一步提高电极材料的电压，那么在液态电池上又会遇到性能瓶颈。具体来说，液态电池的电解液理论电压上限是4.5V，超过这个电压后，电解液就会分解、产气，也就是大家可能遇到过的电池鼓包现象。

固态电池的优势就体现在前面提到的高比能、高电压。首先固态电解质机械强度很高，可以防止锂枝晶穿刺，所以固态电池能够使用比容量极高的锂金属负极材料，而且仅通过这一改进锂电池的能量密度就可以提升至400W·h/kg。作为参考，目前性能最好的液态三元锂电池能量密度为255W·h/kg，磷酸铁锂更低只有140-160W·h/kg。

除此之外，固态电解质还支持更高的电极电压，只要合理搭配高电压电极材料，固态电池的能量密度甚至可以提升至600W·h/kg。总之，在能量密度方面固态电池具有无可比拟的优势。

在安全性方面，由于液态电池内部的结构更为复杂，并且内部材料不耐高温，所以液态电池更容易发生自燃。更具体的说，液态电池的电解质层、隔膜大约在80-130℃时开始各自分解融化，只要电池内部达到这一温度，就会出现短路、自燃的现象，因此液态电池对散热要求极高。

固态电池则不同，因为电解质的性质发生了变化，所以固态电池没有传统电池的隔膜，以及电极上的固态电解质层，因此不存在传统液态电池的高温短路问题。而且，固态电解质的分解产热温度普遍在200℃，甚至更高，所以同样是电池热失控，固态电池发生自燃的概率会更低。更重要的是，即便发生自燃固态电池释放的热量也比液态电池少得多。因此随着固态电池的普及，电动车自燃的概率必然会大幅减少。

虽然前面我们罗列了液态电池的种种不足，但它能作为如今市面上最主流、装车量最大的电池，必然拥有许多固态电池不具备的优势。首先大家都知道，电动车不论是充电还是加速性能，都需要电池具有很高的功率，也就是现在车企经常吹的3C、5C、10C充放电倍率等等。

从电池内部原理来看，电池的高充放电功率，其实就表现为正负极上的锂离子在电解质中的移动速度。因此在电池设计中，有个专门衡量电解质导电性能的指标叫做离子导电率，这个指标越高说明电池的充放电功率更高。

在离子导电率上，固态电池的性能不占任何优势，这是因为固态电解质本身的阻抗就很高，不利于锂离子快速移动，因此目前固态电池的电解质离子导电率不到液态电池的十分之一。打个比方，假如液态电池的充电倍率能做到10C的话，固态电池连1C都做不到。

从电池的使用性能来看，固态电池若不能提高电解质的离子导电率，也就是提高电池的充放电功率，那么即便它有很高的能量密度，也难以满足大部分电动车的需求，更别说撼动液态电池的市场地位了。

除了充放电功率小之外，固态电池现阶段的循环寿命也不如液态电池。简单来说，电池在充放电时电极的体积总会膨胀、收缩，固态电解质因为和电极紧密贴合在一起，所以随着充放电次数的增加，固态电解质会产生裂纹，从而导致电池寿命下降。

从目前已公开的数据看，三元锂和磷酸铁锂这些液态电池，它们的循环寿命分别能做到1500次和2000次以上。而计划量产的纯固态电池，循环寿命只有700-800次。从用户角度来看，纯固态电池虽然可以提供更长的续航，但因为自身的循环寿命偏短，所以它并没有延长电动车的使用寿命。

众所周知，制约电动车发展的主要原因就是电池成本居高不下。根据相关机构的估算，固态电池的材料成本是1.5~2.5元/W·h。相比之下，目前主流的磷酸铁锂材料成本是0.5元/W·h以下，三元锂为0.6-0.7元/Wh，同样的电池容量，二者的材料成本不到固态电池的一半，甚至只有三分之一。

基于性能和成本等方面的考量，目前量产的固态电池并非是PPT里面宣传的纯固态，而是在固态电解质中加入了少部分的电解液，因此也被称作半固态电池。按照电解液的质量占比划分的话，液态电池的电解液占比为25%，半固态电池的电解液占比则减少至5-10%。

前面提过，三元锂是目前性能最好的液态电池，它的能量密度能做到255W·h/kg，而半固态电池的能量密度能做到350W·h/kg。因此我们可以看到，搭载半固态电池的智己L6和蔚来ET7，它们的电池容量轻松突破了100kWh，宣传的续航里程都超过了1000km的大关。

纯固态电池无疑是新能源车领域最具颠覆性的技术，但是以目前的技术水平来看，纯固态电池并没有完全克服充放电功率小、循环寿命短、成本高等问题，因此纯固态电池的普及还需很长的时间。相比之下，既能提高电池能量密度，又能在寿命、成本之间做到平衡的半固态电池倒是更容易被市场接受，在纯固态电池量产之前，半固态将会是最佳的过渡方案。