革命性的电池架构：固态电池的崛起

随着电动汽车(EV)、可再生能源系统和便携式设备的兴起，对先进电池技术的需求正在快速增长。固态电池(SSB)正在成为一种颠覆性的解决方案。它们安全可靠、设计紧凑、性能卓越，是传统电池的一大优势。本文探讨了固态电池的独特之处、优势、生产挑战以及它们在各个行业的潜在应用。

固态电池的独特之处是什么？

固态电池与传统锂离子电池的不同之处在于，它用固体电解质取代了液体电解质。这一变化显著提高了性能和安全性。与传统电池中易燃的液体电解质不同，固体电解质不易燃，从而降低了火灾和热失控的风险。

固态电池还可以使用锂金属作为阳极，从而提高能量密度。这意味着电池更小、更轻，续航里程更长——这对电动汽车和航空航天等行业至关重要。此外，固体电解质能够确保更稳定的长期运行，最大限度地减少电池性能下降，并延长储能系统的使用寿命。

固态电池技术的优势

• 安全性更高：固态电池采用不易燃的固体电解质，大大降低了灾难性故障的风险，使其成为消费电子产品、电动汽车和电网储能的更安全选择。
• 能量密度更高：通过使用锂金属负极，固态电池的能量密度超越了传统的锂离子电池。这一优势意味着电动汽车的续航里程更长，便携式设备的设计也更紧凑。
• 使用寿命更长：随着时间的推移，固态电池的容量损耗率较低，因此减少了更换频率，非常适合需要长期可靠性的应用。
• 充电速率更快：固体电解质的独特特性可加快离子传输速率，从而在不影响安全性的情况下实现更快的充电速率。

制造挑战

尽管固态电池技术的优势引人注目，但扩大生产规模仍面临重大挑战。

• 材料兼容性：开发与电极搭配使用时既高效又稳定的固体电解质是一项复杂的任务。
• 制造工艺：与液体电解质不同，固体材料需要精密的制造技术，这可能导致成本高昂且耗时。
• 成本考量：目前，固态电池生产所涉及的材料和制造工艺都比传统电池昂贵。要使固态电池实现商业化，规模经济和技术突破必不可少。

跨行业应用

固态电池有可能彻底改变多个行业：

• 电动汽车：固态电池的高能量密度和安全性使其成为电动汽车的理想选择，可提供更长的续航里程、更轻的重量和更高的安全性。汽车巨头已在固态电池研究方面投入巨资，为下一代电动汽车提供动力(图1)。
• 可再生能源储能系统(ESS)：对于电网储能应用，固态电池具有所需的耐用性和可靠性，可作为太阳能和风能等间歇性可再生能源的补充。
• 消费电子产品：固态电池体积小巧，具有快速充电能力，可重新定义便携式设备，提供可在几分钟内充满电的长效电池。
• 航空航天和国防：高能量密度和鲁棒性使固态电池适用于严苛的环境，包括太空探索和军事应用。

图1：电动汽车充电

未来之路

固态电池凭借其卓越的安全性、能量密度和充电速率，正成为电动汽车和消费电子设备的热门电源。尽管市场前景光明，但其商业化进程并非一帆风顺。

据EnergyTrend报道，比亚迪首席科学家廉玉波在2024年世界新能源汽车大会上表示，固态电池可能还需要3至5年才能实现广泛应用。尽管磷酸铁锂(LFP)电池取得了长足进步，但由于其技术上的重大改进以及在当前一半以上应用中的普及，预计其仍将占据主导地位。廉玉波预测，固态电池很可能应用于高端新能源汽车，而磷酸铁锂电池将继续为大多数主流车型提供动力。

在2024年世界动力电池大会上，宁德时代董事长曾毓群表示，固态电池技术的成熟度仍处于早期阶段，在1到9的等级中约处于4级，其中9级代表完全成熟并具备规模化生产能力。比亚迪和宁德时代均强调，目前市面上大多数“固态电池”实际上属于半固态，真正的全固态技术仍局限于实验室，距离实际应用尚远。

结语

尽管制造方面面临挑战，但固态电池的发展势头不容小觑。随着持续的投入和创新，这些更安全、更小巧、更强大的储能解决方案可能很快就会成为可持续电气化未来的基石。从为电动汽车提供动力到支持可再生能源电网，固态电池技术必将产生变革性影响，为各行各业和消费者带来新的可能性。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Revolutionizing Battery Architecture: The Rise of Solid-State Batteries，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。