固态电池研究报告
随着全球电动车浪潮席卷关于固态电池的新闻越来越多:从Fisker宣称开发充电1分钟行驶500公里的固态电池，到宝马已与SolidPower进行合作开发下一代电动车用固态电池，再到丰田又宣称将在2025年前实现全固态电池的实用化。作为下一代电池技术的代表，固态电池引发市场高度关注。
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▌为什么一定是固态电池
不燃烧，根除安全隐患
固态电池是采用固态电解质的锂离子电池。工作原理上，固态锂电池和传统的锂电池并无区别:传统的液态锂电池被称为“摇椅式电池”，摇椅的两端为电池的正负两极，中间为液态电解质，锂离子在电解液中迁移来完成正负极间的穿梭实现充放电，而固态电池的电解质为固态，相当于锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。固态电解质是固态电池的核心。
固态电解质不可燃烧，极大提高电池安全性。与传统锂电池相比，全固态电池最突出的优点是安全性。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性，避免了传统锂离子电池中的电解液泄露、电极短路等现象，降低了电池组对于温度的敏感性，根除安全隐患。
同时，固态电解质的绝缘性使得其良好地将电池正极与负极阻隔，避免正负极接触产生短路的同时能充当隔膜的功能。
兼容高容量正负极+轻量化电池系统，推动能量密度大飞跃
（1) 更宽的电化学窗口，更易搭载高电压正极材料
提高正极材料容量需要充电至高电压以便脱出更多的锂，目前针对钴酸锂的电解质溶液可以充电到4.45V，三元材料可以充电到4.35V，继续充到更高电压，液态电解液会被氧化，正极表面也会发生不可逆相变，三元811电池的推广目前便受到了耐高压电解液的制约。
而固态电解质的电化学窗口更宽，可达到5V，更加适应于高电压型电极材料。随着正极材料的持续升级，固态电解质能够做出较好的适配，有利于提升电池系统的能量密度。
(2)兼容金属锂负极，提升能量密度上限
高容量与高电压的特性，让金属锂成为继石墨与硅负极之后的“最终负极”。为了实现更高的能量密度目标，以金属锂为负极的电池体系已成为必然选择。因为:
锂金属的克容量为3860mAh/g，约为石墨(372mAh/g)的10倍
金属锂是自然界电化学势最低的材料，为-3.04V。同时其本身就是锂源，正极材料选择面更宽，可以是含锂或不含锂的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空气，分别对应能量密度更高的锂硫和锂空电池，理论能量密度接近当前电池的10倍。
锂金属负极在当前传统液态电池体系难以实现。锂金属电池的研究最早可追溯到上世纪60年代，并在20世纪70年代已成功开发应用于一次电池。
而在可充放电池领域，金属锂负极在液态电池中存在一系列技术问题至今仍缺乏有效的解决方法，比如金属锂与液态电解质界面副反应多、SEI膜分布不均匀且不稳定导致循环寿命差，金属锂的不均匀沉积和溶解导致锂枝晶和孔洞的不均匀形成。
固态电解质在解决锂金属负极应用问题上被科学界寄予厚望。研究者把解决金属锂负极的应用问题寄希望于固态电解质的使用，主要思路是避免液体电解质中持续发生的副反应，同时利用固体电解质的力学与电学特性抑制锂枝晶的形成。
此外，由于固态电解质将正极与负极材料隔离开，不会产生锂枝晶刺破隔膜的短路效应。总而言之，固态电解质对于锂金属负极拥有更好的兼容性，锂金属材料将在固态电池平台上率先应用。
减轻系统重量，能量密度进一步提升
固态电池系统重量减少进一步提升能量密度。动力电池系统需要先生产单体，单体封装完成后将单体之间进行串联组装。若先在单体内部进行串联，则会导致正负极短路与自放电。固态电池电芯内部不含液体，可实现先串并联后组装，减少了组装壳体用料，PACK设计大幅简化。
此外，由于彻底的安全特性，BMS等温控组件将得以省去，并可通过无隔膜设计进一步为电池系统“减负”。
▌固态电池距离我们还有多远
产业化尚处早期，前景已有保障
市场化产品能量密度较低。现阶段固态电池量产产品很少，产业化进程仍处于早期。唯一实现动力电池领域量产的博洛雷公司产品能量密度仅为100Wh/kg，对比传统锂电尚未具备竞争优势。
高性能的实验室产品将为产业化奠基。从海外各家企业实验与中试产品来看，固态电池能量密度优势已开始凸显，明显超过现有锂电水平。
在我国，固态锂电的基础研究起步较早，在“六五”和“七五”期间，中科院就将固态锂电和快离子导体列为重点课题，此外，北京大学、中国电子科技集团天津18所等院所也立项进行了固态锂电电解质的研究，并在此领域取得了不错的进展。
未来，随着产业投入逐渐加大，产品性能提升的步伐也望加速。
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