固態電池（Solid-state battery）是一種使用固體電極材料和固體電解質材料、不含有任何液體的鋰電池。相較于傳統的液態電解質電池，可以說固態電池在各方面的提升都是質的飛躍。得益于能量密度、安全性和可靠性均有所提升，固態充電電池引起了業內極大的關注。
1831年到1834年，Michael Faraday發現了固體電解質硫化銀和氟化鉛，為固態離子學奠定了基礎。1950年代后半期，多種電化學體系曾使用銀離子固體電解質，但存在內阻高、能量密度低、電壓低等主要問題。1990年代，橡樹嶺國家實驗室開發的一類新型固態電解質，用于制造薄膜鋰離子電池。直到2000年，各大汽車廠商和開發商開始對固態電池技術產生越來越大的興趣。2016年至2019年期間，固態電池專利增長率為45%，且全球有幾十家企業機構投身固態電池技術的研發。截至2023年，具有潛力的固態電解質材料包含聚合物、硫化物和氧化物。2024年4月，重慶太藍新能源公司成功研發并制造出全球首款符合車規標準的全固態鋰金屬電池，其單體容量達到了創紀錄的120Ah，經實測其能量密度高達720Wh/Kg，一舉刷新了體積型鋰電池在單體容量和能量密度方面的全球紀錄。2024年10月，北京純鋰新能源科技公司投資建設的中國首條全固態鋰電池量產線正式投產。
固態電池的需求主要來自動力電池、消費電池以及儲能電池三個領域，基于固態電池的安全與柔性優勢，率先可能的應用是成本敏感度較小的微電池領域，例如植入式醫療設備、無線傳感器等。技術成熟以后，才逐漸向高端消費電池滲透。固態電池兼具更大的能量密度提升空間和更高的安全性使其成為具有廣泛應用前景的下一代儲能技術。
發展歷程
全固態電池的發展主要依賴于固態電解質材料的發展，于20世紀中葉出現以后，經歷了緩慢的發展時期，如今迎來了快速發展的黃金時期。本文主要以固態電解質材料為線索探究固態電池的發展歷程。
薄膜型全固態電池
1969年，Liang等首次報道了一種薄膜型全固態鋰離子電池。該電池采用LiI作為電解質。不久，另一種基于LiI的全固態薄膜電池實現商業化，并成功用于心臟起搏器。然而，當時的電池為一次電池，無法充電，使絕對容量較低的薄膜電池難以廣泛應用。 1983年，日本東芝宣布開發了一款可實用的二次薄膜電池Li/Li3.6Si0.6P0.4O4/Ti S2。該電池在3μA/cm2 的電流密度下單位面積容量可達到150μA·h/cm2。隨后，人們逐漸開始研究無機化合物全固態薄膜鋰電池，日本NTT、美國Union Carbide等公司也相繼報道了各自的進展。1992年，美國橡樹嶺國家實驗室的Bates等成功研制出一種無機固態薄膜電解質LiPON，并推出多種薄膜鋰電池的正負極體系，如Li/LiPON/LiCoO2、SiTON/LiPON/LiCoO2、Li/LiPON/LiMn2O4等。電池工作在2~5V范圍，工作電流密度可達10mA/cm2，且表現出優異的循環性能（10000次）。該實驗室與ITN公司合作推出商業化的薄膜鋰電池，推動了全固態薄膜鋰電池的研究。薄膜型全固態電池的發展對微型器件供電至關重要，但固態鋰電池的大規模應用仍需要開發高效、大容量的體型電池。
氧化物電解質
氧化物電解質主要包括晶態的NaSICON型、鈣鈦礦型、石榴石型等。
NASICON 型
Na1+xZr2SixP3-xO12（0≤x≤3）物質早在1976被合成，為已知最早的NASICON第一型電解質。隨后，人們針對NASICON結構電解質，開始嘗試選用與電解質結構近似的磷酸鹽基電極材料以提高材料間的化學相容性，并借助承壓燒結的方法進一步降低全電池的燒結溫度。2010年，美國University of Dayton Research Institute的Kumar小組首次報道了一款全固態鋰空氣電池原型，電解質采用NASICON結構的玻璃-陶瓷材料，電解質與電極之間采用聚合物連接，以獲得良好的界面接觸。該電池在較高溫度（75~85℃）下可實現多次充放電循環。2011年，法國科學家又采用放電等離子燒結（SPS）的工藝在680℃下制備電池Li3V2(PO4)3。得到的電池結構完整，電極與電解質接觸良好。電池復合電極的厚度雖然達到幾百微米，但仍能實現接近理論值的充放電容量。
鈣鈦礦型
2005年，日本的東京都立大學的Kanamura小組開始嘗試設計以鈣鈦礦結構材料為電解質的全固態電池。經過一系列的結構改良，電池性能逐漸得到提高。然而，受到電解質總電導率低的限制，電池的總體性能始終較低。
石榴石結構
基于石榴石結構固態電解質的全固態鋰電池研究始于2010年。前期的電池原型主要采用薄膜正極。2013年，日本豐田汽車報道了一款電極厚度約10 μm的電池原型，正極材料通過Li3BO3的助燒作用與電解質結合。2014年，該公司又報道了一款通過將正極與電解質低溫共燒形成的電池原型，電極厚度仍約為10μm。同年，韓國科學家采用SPS工藝制備了基于石榴石結構固態電解質的全固態電池。然而，受石榴石結構電解質材料燒結活性的限制，電池的制備仍需在較高溫度（900℃）下完成，電池性能仍不理想。2016年，又有學者制成基于高電導率石榴石結構電解質的全固態電池，正極中加入導電玻璃（ITO）作為電子導電網絡，在增加電極厚度（大于30μm，即負載更多正極活性物質）的情況下仍能獲得較高容量（以LiCoO2為正極活性物質室溫下放電容量可達到100mA·h/g）。
總的來說，氧化物固態電解質路線是截止2023年來全球固態電池參與企業最多的技術路線。例如美國固態電池公司Sakti3在氧化物固態電解質路線方面的研究積累較深，2015年被英國戴森以9000萬美金全資收購，其采用氣相沉積方式制備氧化物薄膜。固態電池制造商Prologium公司攻克了陶瓷氧化物電解質電導率低、界面接觸差、易脆等難題，采用三元正極材料、含硅負極制造的半固態電池包能量密度可達440至485瓦時/升（Wh/L），電池循環壽命超過1000次。2022年11月，中國衛藍新能源車規級半固態電池成功下線，電池包能量密度可達360瓦時/千克（Wh/kg）。與此同時該公司還完成了D輪15 億元融資，獲頭部車企、產業資本加持。且中國清陶能源技術源于清華大學南策文院士團隊，也主要聚焦氧化物固態電解質和固態電池的開發，開發了以氧化物電解質為主、添加聚合物和浸潤劑的半固態電池批量化生產技術，能量密度可達300瓦時/千克（Wh/ kg）以上，被多家頭部車企和產業資本加持，目前企業估值已超過百億。
硫化物固體電解質
日本豐田汽車是全球范圍內硫化物固態電池領域的龍頭企業，在硫化物固態電解質材料、固態電池制造技術、正極材料和硫化物電解質材料回收技術和工藝等方面技術較為成熟，且專利布局完整，是全球擁有固態電池相關專利數量最多的企業。豐田公司從20世紀90年代開始研發固態電池，2010年即推出了硫化物固態電池，2014年樣品電池能量密度達到400Wh/kg，2020年其全固態電池裝車并在測試路段進行試運行，計劃2025年推出第一款配備全固態電池的混動車型。此外，松下電器、三星電子、LG化學、美國Solid Power公司等均選擇了硫化物固態電解質路線。Solid Power采用三元正極材料、高含硅富鋰負極 材料和自有知識產權的硫化物固態電解質制作的全固態電池能量密度可達390瓦時/千克，電池壽命超過1000次。寧德時代是傳統液態鋰離子電池的頭部企業，同時布局鈉離子電池和固態電池等前瞻性技術，該公司選擇硫化物電解質路線，專注于開發全固態鋰電池。
直至2023年，恩力動力和軟銀集團兩家公司在中、日、美三國的團隊成員的協作創新與共同合作下，成功開發出了使用硫化物固態電解質及鋰金屬負極的全固態鋰金屬電池，制作了安時級（1-10Ah）ASSB電芯，其實測能量密度達到300Wh/kg。此次發布的全固態鋰金屬電池，在全固態電池的材料制備、固-固三維界面的構建、固態電極的制造工藝及設備開發等一系列重大難題上都取得了重大突破，是全固態電池邁向產業化的重要里程碑。除此之外，全球各大車企也紛紛布局固態鋰電池，其中不乏傳統燃油車頭部企業和造車新勢力。2023年，寶馬集團發布公告，將與Solid Power啟動全固態電池聯合研發，并將采用其提供的全固態電池中試生產線，進一步推動全固態電池量產。Solid Power中試線主要生產鈷錳三元正極材料、50%硅負極材料和硫化物固態電解質組成的全固態電池。
聚合物固態電解質
聚合物固態電解質，包括PEO、聚丙烯腈等。法國博洛雷集團在聚合物固態電池領域起步較早，也是首個實現聚合物電解質固態電池商業化的公司。早在2011年，博洛雷集團即利用自主開發的電動汽車和電動巴士在法國巴黎及其郊外提供汽車共享服務，累計投入3000輛搭載30千瓦時固態電池的電動汽車。該電池正極采用磷酸鐵鋰和LixV2O8，負極采用鋰，電解質采用聚合物薄膜，能量密度為100瓦時/千克，電池工作溫度60至80攝氏度。為使電池正常工作，每輛車均配載加熱器以便在啟動前對電池進行加熱。美國Ionic Materials公司采用高硅富鋰負極材料和聚合物固態電解質，通過降低電解質/電極界面阻抗提升電池安全性和能量密度。截止到2023年，部分領先企業聚焦于將適量液體組分添加到聚合物電解質中進一步形成凝膠結構，以提升電解質的離子電導率和能量密度。例如中國贛鋒鋰電公司也專注于固態氧化物厚膜技術路線，其最新技術采用三元正極材料、固態氧化物膜的半固態電池能量密度超過350瓦時/千克，電池壽命近400次，并計劃開始交付搭載其半固態電池的純電動SUV塞力斯，電池容量90千瓦時，最大續航里程為530公里。
金屬氯化物固態電解質
金屬氯化物固態電解質材料的化學通式為Li-M-Cl，M代表非鋰過渡金屬陽離子。金屬氯化物的離子傳導特性在20世紀90年代已經被Ryoji Kanno、H.D. Lutz等課題組發現，但與當時先進的金屬氧化物及硫化物固態電解質相比，其較低的室溫離子電導率（10-7Scm-1~10-5Scm-1）并未引起研究者的廣泛關注。2018年，松下電器Tetsuya Asano等研究人員提出Li3YCl6（LYC）作為新型固態電解質，其冷壓粉末的室溫離子電導率為0.54mScm-1，表明金屬氯化物亦可實現快離子傳導。 除此之外，需要特別說明的是，LYC與無保護涂層的高壓鈷酸鋰正極材料（LiCoO2，LCO）表現出良好的化學及電化學相容性，所組裝的Li-In|LYC|LCO全固態鋰電池展現了優異的循環穩定性。由此，金屬氯化物固態電解質的離子電導率和全固態電池性能的突破再次引發了眾多研究者的關注。
2021年韓國三星高等技術研究院Sung-Kyun Jung及2022年燕山大學Long Zhang等研究人員分別開發了粘土狀2LiCl-GaF3和共晶2LiCl-0.5AlF3-0.5GaF3，其離子電導率分別高達3.7mS cm-1及16mScm-1；然而，粘土狀及共晶鹵化物由于結晶性弱，其結構形成過程與離子傳導機理尚不明確，有待進一步研究與探討。值得一提的是，2023年日本松下松下電器產業株式會社Yoshiaki Tanaka等研究人員提出一類新型氧氯化物，LiTaOCl4，繼承了鹵化物的氧化穩定性和形變性，表現出可媲美液態電解質的室溫離子傳導率（12.4mScm-1），基于此的全固態電池實現了優異的充放電特性，證明了金屬氯化物這一新興材料體系在全固態鋰電池產業化進程中的巨大潛力。
2024年1月，大眾旗下電池子公司PowerCo完成了對QuantumScape固態電池的耐久性測試，結果表明可實現50萬公里的超長壽命。除此之外，哈佛大學工程與應用科學學院研究人員開發了一種新型鋰金屬電池，可充放電次數大大提高，該研究描述了一種使用鋰金屬陽極制造固態電池的新方法。固態電池技術取得突破性進展成為市場焦點。得益于此，美股QuantumScape、A股固態電池板塊均有不同程度的漲幅。
無陽極、無壓縮固態電池
ION Storage Systems（ION）是一家位于美國馬里蘭州的固態電池（SSB）制造商，其專利固態無陽極技術放棄了石墨和其他不太可持續的材料，同時通過其 3D 陶瓷結構提高電池容量。2023 年 9 月，在試點計劃取得成功后，ION宣布與跨國巨頭圣戈班陶瓷公司達成陶瓷粉末多年供應協議，以擴大其無陽極、無壓縮固態電池的規模。2024年3月5日，ION宣布，旗下 固體State 固態電池已成功實現超過 125 次循環，性能容量衰減低于 5%，為未來部署提供了超過 1,000 次循環的潛力。
全固態鋰金屬電池
2023年，四川省委十二屆三次全會提出實施優勢產業提質倍增行動，固態電池已納入六大優勢產業裝備領域予以重點培育。2024年，省委、省政府提出建立建圈強鏈機制，將新能源汽車和動力電池（含儲能電池）產業鏈作為15條重點產業鏈之一，編制印發了《四川省新能源汽車及動力電池（含儲能電池）產業鏈協同推進工作方案（2024—2027年）》，明確提出要加大固態電池等關鍵技術研發，加快形成固態電池規模化生產能力及產業化應用。
2024年4月，重慶太藍新能源公司成功研發并制造出全球首款符合車規標準的全固態鋰金屬電池，其單體容量達到了創紀錄的120Ah，經實測其能量密度高達720Wh/Kg，一舉刷新了體積型鋰電池在單體容量和能量密度方面的全球紀錄。與此同時，上汽集團旗下高端電動車品牌智己汽車也推出了行業內首款應用于量產車型的“超快充固態電池1.0”及“準900V超快充固態電池”，并將這款具有里程碑意義的固態電池產品命名為“光年”。5月29日，中國日報報道，中國計劃投入約60億元用于全固態電池研發，包括寧德時代、比亞迪、中國一汽、上汽、衛藍新能源和吉利在內的六家企業或獲得政府基礎研發支持。2024年8月，鵬輝能源發布其第一代固態電池，該電池通過自研復合固態電解質、高導熱添加劑、自動安全機制構建三重安全防線，通過了針刺試驗；在受到針刺時，電池可迅速導出并抑制內部能量釋放，確保各組件在極端條件下保持完整，避免冒煙、起火或爆炸。2024年10月，北京經濟技術開發區（北京亦莊）企業北京純鋰新能源科技公司投資建設的中國首條全固態鋰電池量產線正式投產，標志著該企業研發生產的純鋰50安時數全固態電池邁向量產新階段。
2025年2月，中國國家工信部等八部門發布《新型儲能制造業高質量發展行動方案》，明確將固態電池列為重點攻關方向，支持鋰電池、鈉電池向固態化發展，并提出2027年前打造3-5家全球龍頭企業。3月，國家提出建立全固態電池標準體系，以加速固態電池產業化發展進程。4月8日，工業和信息化部發布《2025年工業和信息化標準工作要點》，提出建立健全全固態電池等標準體系，以高水平標準建設服務行業高質量發展。4月28日，工信部發布《2025年汽車標準化工作要點》，要求推進動力電池耐久性、熱管理系統等標準審查報批，加快全固態電池、動力電池在役檢測、動力電池標識標簽等標準研制，不斷優化動力電池性能要求。同年10月，中國科學院金屬研究所科研團隊在固態鋰電池領域取得突破。研究團隊利用聚合物分子的設計靈活性，在主鏈上同時引入具有離子傳導功能的乙氧基團和具備電化學活性的短硫鏈，制備出在分子尺度上實現界面一體化的新型材料。該材料不僅具備高離子傳輸能力，還能在不同電勢區間實現離子傳輸與存儲行為的可控切換。科研人員介紹，基于該材料構建的一體化柔性電池表現出優異的抗彎折性能，可承受20000次反復彎折。當將其作為復合正極中的聚合物電解質使用時，復合正極能量密度提升達86%。此項研究為發展高性能、高安全性固態電池提供了新的材料設計思路與研究范式。該研究成果已發表在國際學術期刊《先進材料》上。同月，中國科學家成功攻克全固態鋰電池的“卡脖子”難關，讓固態電池性能實現跨越式升級，以前100公斤電池最多支持500公里續航，有望突破1000公里天花板。中國科學院物理研究所聯合多家科研團隊開發的“特殊膠水”，在電池工作時，會順著電場跑到電極和電解質的接口處，主動吸引通行的鋰離子過來，哪里有小縫隙、小孔洞，就自動流過去填滿。 通過一番縫縫補補，電極和電解質就能自己貼得嚴嚴實實，從而突破全固態電池走向實用的最大瓶頸。中國科學院金屬所的科學家用聚合材料給電解質打造一副“骨架”，讓電池像升級版保鮮膜一樣抗拉耐拽。彎折2萬次、擰成麻花狀都完好無損，完全不怕日常變形。 同時，在柔性骨架中加入一些“化學的小零件”，它們有的能讓鋰離子跑得更快，有的能額外“抓”住更多鋰離子，直接讓電池儲電能力提升86%。清華大學的科研團隊用含氟聚醚多元醇材料改造電解質，氟的“耐高壓本事”極強，電極表面的“氟化物保護殼”，能夠防止高電壓“擊穿”電解質。 這項技術在滿電狀態下經過針刺測試、120℃高溫箱測試都不會爆炸，可以確保安全和續航“雙在線”。
金石電池
2024年5月17日，合肥國軒高科動力能源有限公司發布采用全固態電池技術的金石電池，電芯能量密度達350 Wh/kg，比傳統的液態三元鋰電池提升40%以上。在材料創新上，金石電池硫化物電解質離子電導率提升60%，空氣穩定性顯著提高，正負極材料的克容量也實現較大突破，單體電池容量提升150%，達70Ah，預緊力下降90%。
特色優勢
能量密度高：固態電池的正極材料、電解質、負極材料的薄層進行堆疊，加上雙極結構設計，相同體積和質量情況下，能夠提升電芯容量。此外固體電解質耐熱性高于有機溶劑電解質，可減少冷卻機制占據的體積和質量從而獲得高能量密度。金屬鋰比容量高，接近石墨礦負極的10倍，采用鋰能滿足更高的能量密度需求。
安全：傳統鋰離子電池的液態電解質存在泄漏、易燃、熱穩定性差等缺點，導致電池在使用過程中存在安全隱患。雖然當前電池的安全性已顯著提升，但沒有從根本上消除隱患。固態電解質沒有液體泄漏風險，固態電池熔點、沸點均較高，不易燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發，同時固體電解質機械強度較高，熱穩定性和電化學穩定性比電解液更好，能承受碰撞和擠壓等極端情況，是公認的解決大容量鋰電池安全性的根本方法。
循環壽命長：固態電池可解決SEI膜持續生長、過渡金屬溶解、正極材料析氧、電解液氧化、析鋰等問題，有效提升電池的循環性和使用壽命。以比亞迪研發的固態電池為例，其充放電次數可達10000次以上，對應行駛里程約120萬公里，設計使用壽命為15年，循環設計壽命高于三元鋰電池的1500次和磷酸鐵鋰電池的3000次，在車輛使用末期仍可保持正常工作狀態。
應用溫度范圍寬：液態鋰電池通常使用易燃的電解液，受限于電解液閃點低、隔膜融化溫度低。在80℃以上存在著火風險，而固體電解質即使在200℃也難以燃燒，可以承受150℃的高溫，使其將來有望在石油勘探、地下鉆井、航空航天等高溫領域應用。
分類
固態電池有多種分類方式，且包含了多種類型的產品。如按正負極材料可分為固態鋰離子電池和固態鋰金屬電池，根據電解質材料的不同還可以分為氧化物固態電解質、硫化物固態電解質、聚合物固態電解質。
按正負極材料劃分
固態鋰離子電池：固態鋰離子可沿用傳統液態鋰離子電池材料體系，如三元/磷酸鐵鋰正極，石墨/硅碳負極。
固態鋰金屬電池：負極采用金屬鋰的則為固態鋰金屬電池，鋰由于其高的理論比容量和低的電化學勢而被認為是鋰電池理想的負極材料。傳統液態電解質鋰電池若采用金屬鋰做負極，在反復充放電過程中金屬鋰會出現枝晶生長、粉化等問題，導致循環性變差和產生安全隱患。所以傳統鋰電池采用低容量，不容易讓鋰離子生根發芽的石墨礦作為負極。而固態電解質可很好地扼制枝晶的生長，故進行固態電池研究時，均較多地聚焦于金屬鋰負極。
按電解質材料劃分
氧化物固態電解質：氧化物固態電解質最為突出的優點是電化學和化學穩定性極好，可與鋰電極相匹配，組裝成高能量電池。其室溫離子導率可以達到10-4S/cm，雖然難以實現快充，但已經可以滿足部分充放電倍率要求。氧化物電解質按照氧化物晶體結構還可進一 步分為LISCON（鋰 super ionic conductor，鋰快離子導體）、NASCON（鈉 super ionic conductor，鈉快離子導體）、鈣鈦礦型電解質（ABO3；A=Ca，Sr，La；B=Al，Ti）、石榴石型電解質（ABO3A3B2(XO4)3；A=Ca，Mg，Y， La或稀土金屬；B=Al，Fe，Ga，Mn，Ni，V；X=Si，Ge，Al）等。截止到2023年氧化物室溫離子導率最高的是石榴石結構的（Ta）摻雜鋰鋯氧（Li7La3Zr2O12）電解質。其室溫離子導率可以達到10-3S/cm，鋰離子遷移活化能可以低至0.6eV，在某些方面幾乎可以與液態電解液相媲美。此外，這種電解質對金屬鋰穩定，電化學窗口極寬 （相對Li+/Li大于6V），可以與能量密度極高的鋰電極相匹配。
硫化物固態電解質：硫化物固態電解質由氧化物固態電解質衍生而來，氧化物中的氧被硫取代，成為硫化物固態電解質。硫元素的電負性比氧元素小，對離子的束縛小，可得到更多自由移動的硫離子，有利于鋰離子的自由移動。硫原子半徑大于氧原子，可引起電解質晶體結構改變，有利于鋰離子傳輸。硫化物電解質室溫離子導率較高，約為10-3 ~10-4S/cm，質軟易加工，力學性能較好。但其化學、電化學穩定性差，易與空氣反應生成有毒氣體，易于金屬鋰電極反應增加界面阻力。硫化物電解質主要包括二元硫化物（Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3）、三元硫化物（Li2S-GeS2-P2S5）等。三元硫化物與二元硫化物相比，有更高的離子導率，化學性質也更加穩定。
聚合物固態電解質：聚合物固態電解質由聚合物基體和鋰鹽絡合而成。其中，聚合物基體包括聚酰亞胺、聚偏乙烯-六氟丙烯共聚物。聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚環氧乙、聚甲基丙烯酸甲酯等。鋰鹽包括雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰鹽、雙氟磺亞胺鋰鹽、硝酸鋰、 高氯酸鋰等。由于其質量較輕、黏彈性好、機械加工性能優良等特點而受到廣泛的關注。在聚合物固態電解質基體中， 聚環氧乙烷（PEO）相比于其他聚合物基體具有更強的解離鋰鹽的能力，且對鋰穩定。因此聚合物電解質基體的研究以PEO及其衍生物為主。PEO類聚合物電解質的優點在于高溫下離子電導率高，容易成膜，易于加工，與正極復合后可以形成連續的 離子導電通道，正極面電阻較小。缺點在于PEO的氧化電勢在3.8V，需經過改性處理，或與氧化物固態電解質復合后，才能與鈷酸鋰等高能量密度正極匹配。其次，PEO基電解質由于結晶度高，導致室溫下導電率低，僅10-7~10-6S/cm。因此工作溫度通常較高，約為60℃，并需要更加完備的電池管理系統。
按構造劃分
薄膜全固態電池：將電池的各組成部分通過適當的薄膜制備技術（如氣相沉積、離子濺射、溶膠-凝膠、激光脈沖沉積等）制成薄膜，并按照電池結構順序堆疊在基底之上，即可形成薄膜全固態電池。采用工藝溫度較低的薄膜制備技術，可在保證電極與 電解質接觸良好的情況下有效避免二者間發生反應。薄膜全固態電池具有高的體積能量密度和質量能量密度，可以廣泛用于便攜式移動設備、電動代步工具、醫療器械、航天及軍事工業。
3D薄膜型全固態電池：借助模板法、光刻技術、氣凝膠法、等離子刻蝕等技術將薄膜電池制成三維結構即為3D薄膜型全固態電池，該電池可以進一步提高電池的功率密度和單位面積能量密度。然而，由于薄膜電池的制備技術成本較高，難以實現大規模應用。
體型全固態電池：體型全固態電池的電極層承載更多的電極活性物質，因而能提供更大的輸出功率和單位面積能量密度。由于電極層較厚，為充分利用電極活性物質，電極的設計采用液態電池電極的理念，即由鋰離子導電材料、電子導電材料和電極活性物質混合組成復合電極。體型電池可以采用自支撐，而不需要額外的支撐基體。起支撐作用的部分即可以是較厚的復合電極，也可以是較厚的電解質，亦或是二者共同組成的電池整體。對于復合電極支撐的情況，仍可采用薄膜電解質以最小化電解質電阻對電池總阻抗的貢獻。對于后兩種支撐情況，則要求電解質材料具有高的電導率和足夠的機械強度。同時，體型全固態電池一般采用各部分材料的粉體制備，便于規模化。
應用領域
固態電池主要應用在消費電子、電動汽車、航空、儲能的領域中。如可穿戴設備、無人機等個人電子產品就已經搭載固態電池。
電動汽車
固態鋰電池可應用于絕大多數傳統鋰電池應用領域，由于其特色優勢，一些不能使用傳統鋰電池的領域也是固態鋰電池的潛在市場。例如固態電池的能量密度可以達到400~500Wh/kg，是液體鋰電池的2~3倍。與傳統鋰電池相比，固態電池還具有增加巡航里程、大大降低熱失控風險、縮短充電時間、延長循環壽命和縮小尺寸等優點。因此，越來越多的動力電池公司和車企巨頭加倍投入到固態電池的研發和生產中，致力為新能源汽車的全面普及實現提供助力。
航空
早在2018年，德國尤利希研究中心專家就開發出一種新型固態電池，充電率比現有文獻記錄的固態電池高出十倍。新電池組件由磷酸鹽化合物制成，材料經過化學和機械性能的最佳匹配，實現了電池持續良好的可通性。固態電池因對熱不敏感，不含任何可能泄漏或著火的液體部件，因此被認為比傳統鋰離電池更安全、可靠和耐用。該固態電池除了可用于開發fcv，還能應用到航空航天等領域。
消費電子
固態電池已率先作為高安全便攜式電源于可穿戴設備、無人機等對安全性要求較高、成本敏感度較低的消費電子產品上實現應用。例如，輝能科技已搭建40MWh半固態電池產線、衛藍新能源已搭建200MWh半固態產線用于無人機等消費電子中。事實上，早在2016年，美國蘋果公司就獲得了便攜式設備固態電池的專利。固態電池更容易小型化，可以使用更薄的設計，對于可彎曲設備或者是帶有柔性屏幕的設備來說，固態電池的這些特性對它們的設計會有很大的幫助。蘋果公司在專利文件中介紹，他們會針對便攜電子設備中的固態電池設計一個系統，從而管理固態電池的使用。在便攜電子設備使用固態電池時，系統就會運行監控固態電池的溫度。該系統還能根據電池溫度來調整充電，以增加固態電池的容量或續航時間。蘋果公司表示他們的這項技術可以使用在IPhone、iPad、MacBook和iPod等設備。
儲能
固態電池符合儲能電池高安全、高能量密度的要求，但循環壽命、性價比受限，當前應用以示范性儲能項目為主，需技術突破、成本降低后才可實現廣泛的商業化應用。
工作原理
固態電池的原理與液態電解液鋰離子電池相同，只不過其電解質為固態。主要依靠鋰離子在正極和負極之間的遷移來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態，放電時則相反。為了獲得高性能固態鋰離子電池，其核心一一固態電解質應該滿足以下幾個條件:（1）具有高室溫離子電導率，使電池具有高功率密度；（2）極低的電子電導率，降低電池的自放電；（3）具有高離子遷移數，降低濃差極化帶來的損失；（4）與正負電極保持化學穩定，通常電解質與電極的反應會增大電池的界面阻抗，降低活性物質利用率，使電池失效；（5）更寬的電化學穩定窗口，拓寬電池電壓范圍，進一步增大電池能量密度；（6）能夠加工到盡可能薄的厚度，降低其在整個電池中的占比，減小電解質阻抗，提高電池的體積/質量能量密度；（7）熱穩定性好、機械強度高，可以在充放電過程中保持穩定，防止正負極的接觸；（8）原料易得，成本較低，合成方法簡單，易于規模化生產。
結構組成
電池由正極、負極、電解質、隔膜等結構構成。傳統鋰離子電池由液態電解液傳導離子，通常還需要隔膜防止短路。而固態鋰電池構造相對簡單，正負極、電解質均由固態材料構成。固態電解質除了傳導鋰離子，也充當隔膜角色。固態鋰電池中，電解質鹽、電解液、隔膜與粘結劑聚偏二氟乙烯等幾乎不需要使用，大大簡化了電池構建步驟。
正極：固態電池正極一般采用復合電極，包括電極活性物質、固態電解質和導電劑（協助傳輸離子和電子）。固態電池正極材料與傳統鋰電池兼容，可使用正極材料包括鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰（LFP）、三元正極材料（LiNi（1-x-y）CoxMnyO2，0＜x，y＜1）。為了進一步提高固態電池的能量密度及電化學性能，新型高能量正極也在被積極的研究和開發。固態電解質電化學窗口寬，可耐受電壓高，可與高電壓正極材料組裝固態金屬鋰電池。
負極：固態電池研究中用的負極材料包括碳基、硅基、錫基材料以及鋰材料。碳基負極以石墨礦類材料為典型代表，石墨具有適合鋰離子嵌入和脫出的層狀結構，具有良好的電壓平臺，充放電效率在90%以上，是商業化傳統鋰電池使用的負極材料。但是碳基負極的理論容量低，實際應用已經基本達到理論極限，無法滿足高能量密度的需求。相較于碳基材料，硅基和錫基材料具有較高的理論比容量，分別為4200mAh/g和994mAh/g，但其在嵌鋰過程中存在顯著的體積膨脹現象，體積變化率分別為260%和320%。經過碳復合的硅基負極，其膨脹現象得到明顯改善，是固態鋰電池可行的負極選項。鋰有極高的理論容量（3860MAH/g）與最低的電勢是下一代電池負極的極佳選擇。金屬鋰本征具有高化學與電化學活性，若使用有機液態電解液，有機液態電解液將不可避免的與金屬鋰發生反應，形成脆弱的固液界面膜，引發鋰離子的不均勻分布，消耗電解液，引發枝晶生長。而使用固態電解質的固態鋰電池，有望從根本上解決上述問題，實現金屬鋰負極的高效利用。
電解質：全固態鋰電池的電解質可分為有機聚合物電解質和無機化合物固體電解質兩類。有機聚合物電解質具有較高的安全性能，除可加工成多種形狀外，還可通過“卷對卷”工藝簡化制備流程，降低制備難度；其局限性包括適用溫度范圍較窄、電極與電解質界面穩定性不足、力學性能支撐缺乏及有機高分子化合物固體電解質易結晶等。部分聚合物電解質本身不含鋰，而電池整體反應仍需依賴正負極材料中的鋰。有機聚合物電解質的這些缺點使得大容量電池會因受到界面處化學反應和局部溫度升高等因素的影響，導致電解質發生變化，進而加大界面電阻，最終出現斷路問題。無機化合物固體電解質材料本身具有易揮發、機械強度高、無漏液和不易燃等優勢，此外在抗溫度性能方面表現良好，憑借這些優勢，無機材料能滿足大 規模制備大尺寸電池的各種需求，且還可以制備成薄膜，即小型化處理鋰電池。值得一提的是，由無機材料組裝而成的薄膜無機固體電解質性質的鋰電池，在循環性能和超長存儲年限方面優勢明顯，成為當下各類微型電子產品電池電源的首選。
隔膜：全固態隔膜是聚合物/鋰鹽復合體系，即由LiCIO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO ) 、Li(CF3SO3)3等鋰鹽溶于有機高分子化合物聚醚多元醇(如PEO、PPO等)固態溶液中形成。此類隔膜本身不含可燃性電解液，極大改善了電池的安全性。其高彈性能夠應變在充放電過程中的體積變化，顯著提升電池的循環性能。以及較強的可加工性和可塑性，使形狀多變的超薄鋰電池制造成為可能。但由于其室溫電導率很低，因此還無法商品化應用。
關鍵制造工藝
電解質成膜工藝是固態電池制造中的關鍵工藝，通過幾十年的研究，在材料開發方面，不同類型的固態電解質（聚合物、氧化物、硫化物等）已經能夠被成功地合成制備出來。本文主要從聚合物及復合電解質、氧化物電解質和硫化物電解質來分別闡述固態電池關鍵制造工藝。
聚合物固態電池制造工藝：聚合物電解質層可通過干法或濕法制備，電芯組裝通過電極和電解質間的卷對卷復合實現。干法和濕法都非常成熟，易于制造大電芯，易于制備出雙極內串電芯，從而提升單體電池電壓。但也有以下缺點：成膜均一性難以控制、難以兼容高電壓正極材料，導致能量密度不高，電池只能在高溫下工作。以亞琛工業大學研究機構PEM聚合物研究出來的固態電池制備工藝為例。該機構提出的具體制備方法是將正極和固態電池電解質材料的制備平行進行，通過高溫熔化和返混擠出的過程形成正極和電解質漿料，兩種漿料通過一起擠出的方式，分別疊加在正極集流體材料 上，再將鋰壓制成漿料后涂布在電解質材料的表面，形成集流體-正極材料-固態電解質鋰負極的混合多層電芯，再通過壓法，把多層電芯壓實。
氧化物固態電池制造工藝：氧化物固體電解質具有相對較高的離子電導率和較穩定的化學特性，制備對環境要求不苛刻，易于大規模生產和應用。常見制備工藝方法為：正極和固態電池電解質材料的制備通過球磨的方式進行，使用高頻濺射法，將電解質材料濺射到正極材料表面，將復合好的正極-電解質材料進行高溫燒結。通過電子束蒸發法將負極分布到電解質材料上。但這些燒結過程都是在高溫下進行的，需要消耗大量的能量并且成本較高。2016年，賓夕法尼亞州立大學Randall課題組從大自然結晶致密的現象中得到了啟發（比如：珍珠在水溶液中的形成過程，食鹽、糖 在潮濕環境中的結晶現象），利用水溶液的中間液相（水、醋酸溶液、堿溶液等），實現了陶瓷材料在室溫到300℃的低溫燒結，并且命名這種突破性的燒結方法為冷燒結技術。
硫化物固態電池制造工藝：硫化物固態電解質具有超高的離子電導率和良好的機械性質，易于構筑完全不含電解液的全固態鋰電池。但其空氣穩定性差、合成工藝復雜、生產率低且生產成本高，極大地阻礙了硫化物電解質的大規模應用。面對這類問題，中國科學院物理研究所吳凡研究員課題組提出了一種全新的策略：以空氣穩定的氧化物為原料，在空氣環境中用一步氣相法合成硫化物電解質，完全擺脫了手套箱，從而實現硫化物固態電解質全制備過程空氣穩定，且大幅簡化制備步驟，打破了產量的限制，助力空氣穩定的硫化物電解質的大規模生產。一步法制備的空氣穩定硫化物離子電導率可達2.45mS/cm，是截止2023年所有報道的濕空氣穩定和可恢復的鋰離子硫化物電解質中最高的。與傳統固相法步驟多、耗時、 成本高、產量低及應用受限等缺點相比，該工藝具有用時少、成本低、產量大及應用范圍廣等優點。硫化物電解質正處于快速發展階段，因此需要不斷探索全新的解決方案和思路，以推動硫化物固體電解質的發展。
性能指標
固態電解質（SSE）對電池長期運行的電化學性能和穩定性起著至關重要的作用，全固態鋰電池的電解質材料很大程度上決定了固態鋰電池的各項性能參數，如功率密度、循環穩定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。一般來說，電解質材料的性能指標主要包含離子電導率、鋰離子轉移數、化學穩定性以及機械強度和柔韌性。
離子電導率
鋰離子電導率（σ）是評價固態電解質（SSE）最重要的指標之一。電導率表示所有移動的帶電物種（i）的總和。固態電解質面臨的最大問題之一就是離子電導率低，這使得電池只能在低充放電速率下工作，不足以運行設備。一般來說，為了保證固態聚合物電解質（SPE）基電池的正常使用，Li+的電導率需要>10-4S/cm。
鋰離子轉移數
除了離子電導率，Li+的轉移數（tLi+）也是評價固態聚合物電解質（SPE）的重要參數。電解質中遷移的鋰離子所帶電荷與所有離子電荷的比值定義為tLi+，在充放電循環過程中，只有Li+的遷移對電池的性能有貢獻。當tLi+較低時，電池局部極化嚴重，會導致Li+不均勻沉積及鋰枝晶的生成，從而影響電池的性能。因此，tLi+值越高，有利于降低電解質的濃度極化，從而提高電池性能。一般來說，典型的無機固體電解質，tLi+較高，接近于1。
機械強度
良好的機械強度和柔韌性對SSE規模化生產和實際應用至關重要。太脆或太硬都需要進行特殊處理，這又增加了電池的制造成本。其中，聚合物固態電解質（SPEs）結合了各自組件的特性，界面性能優異，且表現出良好的機械性能。例如，陶瓷/聚合物電解質結合了陶瓷優異的尺寸穩定性和聚合物的伸縮性，表現出良好的機械強度和柔韌性。
電化學穩定窗口
電化學穩定窗口決定著固態電解質（SSE）是否可以實際應用。電池材料的充放電是在一定電壓方位進行的，如鋰硫電池在1.7~2.8V之間，磷酸鐵鋰電池在2~4V之間。SSE的電化學窗口應該滿足電極材料的電壓范圍，否則SSE會發生副反應，影響電池的運行。同時，考慮到理想的電池材料的成分含有大部分鋰，電壓窗口可能會增大到4.5V。因此，理想的SSE電化學窗口應該可以穩定在0~5V之間。
化學穩定性
固態電解質（SSE）同時接觸電池的正負極，其化學穩定性對電池界面副反應起著至關重要的作用。化學穩定性差的SSE，可能與活性較高的電極材料發生反應，產生氣體或一些有害的小分子，從而影響電池的使用壽命和安全性能。同時，熱穩定性對于SSE也非常重要，它可以確保電池在極端環境條件下（如高溫或過充條件下）正常運行。一般來說，理想的SSE耐熱溫度需高于150℃。
參考資料 >
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固態電池突破性進展掀起資本市場熱浪：A股龍頭一度6天5板，“寧王”發布半固態新品、一眾新能源車企裝車提速.今日頭條.2024-01-14
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產業化提速?中國或將投入60億支持全固態電池研發.中青在線.2025-06-21
投資約188億元！今年一季度全國固態電池擴產產能達48.3GWh.今日頭條.2025-06-21
碳討|固態電池“破繭”時刻：資金活躍上市公司密集布局.今日頭條.2025-08-08
工信部：前瞻布局未來產業標準研究.國際科技創新中心.2025-08-08
固態電池迎政策大利好.中國工業新聞網.2025-08-08
固態鋰電池領域，我國取得突破！.光明網.2025-10-06
固態電池新突破！新能源車續航有望翻倍！.百家號.2025-10-16
國軒高科發布全固態電池技術，能量密度350 Wh/kg.今日頭條.2024-05-17
國軒高科官宣建成0.2GWh全固態電池中試線 六大新品集中亮相2025全球科技大會.證券時報網.2025-06-21
36氪研究院｜2023年中國固態鋰離子電池產業洞察報告.36氪.2023-12-24