基于鋰離子電池相對較高的性能、較低的成本和廣泛的可用性，從電子設備、電動汽車到大型固定儲能系統的廣泛應用中，都表現卓越，而且鑒于其突出地位，在未來10年內，不太可能被取代。盡管如此，由于其性能限制以及環境和供應鏈問題，下一代電池技術仍在不斷發展和創新。

固態電池(SSB)被提議作為解決方案之一。簡單地說，固態電池利用固態電解質(SSE)取代了易燃的有機液體電解質，因此原則上可以實現更安全、更持久的電池。SSE還可以與傳統鋰離子電池中不用的其他陰極和陽極材料配對。盡管基于鋰離子的SSB將產生更優的性能，但并非所有的SSB都必須基于鋰離子化學。

為什么是SSB?

在各種用例中采用電池時，有一些“KPI”值得考慮。SSB具有許多預期的優勢，如安全性更好、能量密度更高、循環壽命更長、更耐用、工作溫度范圍更寬、堆疊緊密、電池設計簡化、機械特性可能更靈活等等。另外，SSE還可以與高壓陰極材料及高容量鋰金屬陽極兼容，從而有可能使能量密度超過1000Wh/L。

對于鋰離子電池而言，其傳統制造由東亞地區主導，該地區國家做出了顯著貢獻。然而，隨著歐美各國加入競爭，一個重大轉變正在發生，新戰略是把電池產能從東亞轉移到更靠近市場應用的地方。

新局面以探索新材料和組件以及重新評估制造工藝為標志。這些為電池供應鏈的重組提供了可能。從技術和商業角度來看，SSB的開發已成為下一代電池戰略的一部分。它已經演變成一項全球努力，其特點是地區利益和各國政府的大力支持。

SSB何時能邁入市場?

一個持續存在的問題是：SSB何時會成為市場現實?為了回答這個問題，對SSB進行一個更清晰的定義是很重要的。聚合物SSB已經上市，半/混合/偽SSB正在進行試驗，而陶瓷全固態電池(ASSB)仍處于發展階段。

從最嚴格的意義上講，真正的SSB應該只表示那些不存在任何液體或凝膠聚合物的SSB。然而，半/混合動力/偽SSB也可以提供巨大價值，包括提高安全性和提高能量密度，尤其受到汽車原始設備制造商青睞。因此，無論是否包含任何液體物質，在大眾眼里，它們也可以被稱為“固態電池”。


圖1：電池設計考慮因素。(本文圖片來源：IDTechEx)

對于所講的廣義SSB，有多種技術解決方案。其中的氧化物、硫化物和聚合物 (每個類別下都有進一步的變異) 解決方案，已成為下一代開發中最受歡迎的選擇。一般來說，硫化物電解質具有離子電導率高、比液體電解質更好、加工溫度低、電化學穩定性窗口寬等優點。上述特性使其具有吸引力，被許多人認為是最終的SSE選擇。然而，其制造難度以及過程中所產生的有毒硫化氫，延緩了其商業化步伐。

聚合物方案易于制造，與現有的制造工藝兼容，并具有現成的商業化實例，然而該解決方案的問題是操作溫度相對較高、抗氧化電位較低、穩定性也較差。
氧化物方案對鋰金屬更穩定，具有良好的電化學和熱穩定性。然而，其界面電阻較高，成本也較高，且工藝產率較低，因而總體上也存在一些挑戰。
據信，聚合物解決方案最接近商業化，其次是半固態氧化物。硫化物解決方案最近獲得了更多的關注，但它們可能需要最長的時間。

如何實現?

雖然SSB的投資較高，但運營成本與傳統鋰離子電池相類似，且最終具有價格優勢，盡管如此，它們要被公眾接受，還需要提出更明晰的價值定位。盡管有很多研究僅限于討論SSB是否能帶來更好的安全性，但更多的證據表明，SSB確實提供了更高的濫用容忍度。


圖2：全球主要固態電池玩家分布。

SSB高能量密度是其另一個優勢。然而，這種改進應該與新的陰極和陽極材料相結合。例如，大多數SSE，特別是無機固態電解質，具有比聚烯烴隔膜更高的密度，通常也比傳統鋰離子電池中使用的隔板要厚。如果電極保持不變(例如，靜止石墨陽極和層狀金屬氧化物陰極)的話，與鋰離子電池相比，大多數SSB的質量能量密度結果更低。

關于是否可以提高功率、充電速率和循環壽命，仍存在爭論和不確定性。然而，所有的討論仍停留在單元級。而實際上單元級的研究只是未來工作的一部分。目前已經看到，開發重點經歷了從材料開發和單元演示向單元驗證和系統設計的轉變，包括從單元到封裝(CTP)、熱管理和機械設計。

其實，CTP并不是一個新概念，在鋰離子電池設計中即可找到，例如比亞迪的刀片電池和CATL的CTP設計。由于SSB電池具有更好的安全性和雙極性堆疊的可能性，CTP概念將變得更加重要。電池安全意味著電池組設計更靈活，電池模塊/模組中使用的電子設備和組件更少。例如，雙極設計能夠實現更緊密的封裝和更高的能量密度，從而在系統級別上能潛在實現更高的能量密度和可比成本。

對于固態電池而言，最初幾代可能沒有配置高電壓、高容量的陰極和鋰金屬陽極，從而使其能量密度還會比商用鋰離子電池更低。固態電池的初始成本也會高于鋰離子電池。然而，由于固態電池組級的能量密度更高，設計靈活，使用的材料/部件更少，其能量密度可能與鋰離子電池相當，甚至更好。


圖3：幾種固態電池技術的比較。

對于SSB，熱管理系統不可或缺，但其工作方式可以針對不同安全操作區域來實施，因此，SSB所需的理想溫度可能與鋰離子電池不同。
目前，聚合物基固態電池已經商業化并用于車輛，例如戴姆勒eCitaro。其他技術正在為原始設備制造商持續測試其樣品。隨著豐田宣布技術突破，預計將致力于進一步的材料開發和設備優化。與此同時，還將更多地聚焦于系統設計。

市場可能不關心是否使用少量液體或凝膠聚合物作為SSB的一部分。只要電池能夠提供所需的功能，最終用戶就會接受。因為混合半固態電池也可以提供高性能，所以可以作為良好的過渡產品。在短期內，可能會看到更多混合SSB的例子。隨著技術發展的成熟，ASSB可能成為最終目標。

作為最大的潛在市場，汽車幾乎是所有SSB供應商的目標。與此同時，需要更大的濫用容忍度，且對價格不太敏感的利基應用可能是SSB的低掛果實。