全固態(tài)電池技術(shù)國際發(fā)展態(tài)勢分析
全固態(tài)電池因其高安全性和潛在的高能量密度，有望成為電動汽車和其他移動設(shè)備的下一代電源解決方案，是未來新型儲能產(chǎn)業(yè)競爭的關(guān)鍵制高點之一。在2月15日舉辦的“2025中國全固態(tài)電池產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新平臺年會暨第二屆中國全固態(tài)電池創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”上，與會企業(yè)家和專家學者提出全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化需解決技術(shù)、工藝和成本的問題，有望在2027年前后實現(xiàn)小批量裝車，2030年實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)[1]。3月31日，工信部辦公廳印發(fā)《2025年工業(yè)和信息化標準工作要點》[2]，首次將全固態(tài)電池納入新產(chǎn)業(yè)標準體系建設(shè)。本文系統(tǒng)梳理全固態(tài)電池技術(shù)主要國家戰(zhàn)略布局、產(chǎn)業(yè)動態(tài)和發(fā)展路線，深入分析全固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并展望未來趨勢。
一、全球主要國家競相布局全固態(tài)電池
1、提供政策支持與資金投入，搶占科技制高點
全固態(tài)電池作為下一代動力電池公認的發(fā)展方向，受到全球許多國家的高度重視。為了搶占新能源時代的戰(zhàn)略制高點，主要國家積極開展戰(zhàn)略布局，并大力投入資金支持。日本政府在2015—2024年間投資近2000億日元（約100億元）用于全固態(tài)電池的技術(shù)開發(fā)，并在2022年發(fā)布《蓄電池產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》[3]，計劃在2030年左右實現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化，確保技術(shù)領(lǐng)先地位。美國能源部（DOE）于2021年發(fā)布了《國家鋰電池藍圖2021—2030》[4]，指出需要重點關(guān)注全固態(tài)電池相關(guān)的新材料、電極和電池制造方法，并通過Battery500、IONICS、EVs4ALL、Li-Bridge等項目投資超過2億美元（約15億元）資助相關(guān)企業(yè)、高校與科研機構(gòu)開展下一代電池研發(fā)。我國在2020年印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035）》中將固態(tài)電池列為重點攻關(guān)方向[5]，并規(guī)劃投入60億元用于支持固態(tài)電池的專項研發(fā)[6]。
2、推動產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同整合，加快成果轉(zhuǎn)化
各國均積極推進全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，加快科技成果市場化進程。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）組織了包括汽車企業(yè)、電池企業(yè)、材料企業(yè)、高校、科研機構(gòu)在內(nèi)的38家單位，成立了產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟，著力于解決全固態(tài)電池量產(chǎn)化面臨的技術(shù)問題，并推動低碳化社會體系設(shè)計[7]。DOE阿貢國家實驗室在2021年宣布組建“鋰橋聯(lián)盟”（Li-Bridge），通過建立國家實驗室、高校與私營企業(yè)等公-私合作關(guān)系，加速構(gòu)建安全穩(wěn)定的鋰電池國內(nèi)供應(yīng)鏈[8]。我國全固態(tài)電池產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新平臺于2024年1月成立，建立了政府、高校、科研機構(gòu)以及包括汽車、電池、材料、檢測加工設(shè)備等全產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)協(xié)同合作的生態(tài)，力爭實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的技術(shù)領(lǐng)先，加速全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化進程[9]。
3、推進多種技術(shù)路線并行，開展差異化競爭
全固態(tài)電池一般根據(jù)電解質(zhì)體系劃分為聚合物、氧化物、硫化物和鹵化物技術(shù)路線，在性能、成本、技術(shù)成熟度等方面各有優(yōu)劣，因此主要國家均采用多種路線并行發(fā)展的戰(zhàn)略，并且主導的技術(shù)路線上表現(xiàn)出一定的地區(qū)差異性。日本主要聚焦于硫化物路線，由于布局較早，有著豐富的技術(shù)積累，掌握大量硫化物電解質(zhì)合成、界面優(yōu)化等核心專利，在全球處于領(lǐng)跑地位。韓國主要布局氧化物和硫化物技術(shù)路線。歐洲發(fā)展聚合物路線較早，近年來也在逐步加大對硫化物路線的投入。美國在全路線均有布局，目前氧化物-聚合物復合路線相對成熟，硫化物路線也在迅速發(fā)展中。我國目前大力發(fā)展氧化物路線，尤其是氧化物-聚合物的復合路線發(fā)展較快，已經(jīng)走在了世界前列，同時也在積極布局硫化物路線，期望在未來3~5年內(nèi)實現(xiàn)對日本的技術(shù)反超。Asano等[10]在2018年通過機械化學方法合成了高離子電導率（1.7 mS/cm）的Li3YCl6和Li3YBr6后，使得鹵化物路線得到了廣泛關(guān)注，但目前該路線仍以實驗室研發(fā)為主，尚未形成產(chǎn)業(yè)化布局。
二、全固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
全固態(tài)電池相比液態(tài)電池在性能上具備諸多優(yōu)勢。采用固態(tài)電解質(zhì)材料替代易燃易揮發(fā)的電解液，可大幅提升電池安全性；匹配富鋰錳基正極、鋰金屬負極等高容量正負極材料，可使電池理論能量密度提升至500瓦時/千克以上；由于低溫下無液態(tài)成分變性，電池低溫充放電性能可進一步提升。
針對全固態(tài)電池目前存在的界面副反應(yīng)多、接觸電阻高，鋰枝晶生長刺穿電解質(zhì)使電池失效，材料對空氣和濕度敏感，電池制造工藝復雜、成本高等問題，科研人員開展了大量基礎(chǔ)研究，在關(guān)鍵技術(shù)課題上取得了顯著成果，2024年至今的主要進展如下。
1、改善界面接觸
澳大利亞新南威爾士大學在導電碳材料表面引入氧官能團，使正極-硫化物電解質(zhì)界面處形成一層含硫酸鹽和磷酸鹽的界面層薄膜，組裝的NMC/Li?PS?Cl/Li全固態(tài)電池在室溫下循環(huán)1000次后容量幾乎無衰減，60 ℃下循環(huán)2000次后容量保持率＞90%[11]。復旦大學提出了一種Li2ZrF6（LZF）涂層，通過濕法涂覆與熱處理工藝，在LiCoO2（LCO）正極顆粒表面制備了10~18 nm的LZF包覆層，在30.19 毫克/平方厘米的高負載下能達到5.2毫安時/平方厘米的初始面容量，循環(huán)1500次后容量保持率達到80%以上[12]。清華大學設(shè)計了一種設(shè)置在鋰源/負極接觸界面的鋰基合金人工電子通路，以遏制干態(tài)過程中的鋰源/負極界面腐蝕行為，從而為整個接觸預鋰化過程提供穩(wěn)定的電子傳輸路徑，實現(xiàn)鋰源轉(zhuǎn)化率大幅提升[13]。
2、抑制鋰枝晶生長
美國馬里蘭大學和浙江大學將凝膠電解質(zhì)沉積在20微米的超薄鋰金屬負極表面，構(gòu)造了固態(tài)電解質(zhì)界面和復合聚合物界面的雙層界面，能在薄電解質(zhì)膜中實現(xiàn)2毫安/平方厘米的臨界電流密度，達到傳統(tǒng)鋰金屬電池的20倍以上[14]。中國科學院物理研究所設(shè)計了一種軟碳（SC）-Li3N界面層，這種兼具離子電導和電子電導的混合界面層有助于Li+在界面上的高效傳輸，應(yīng)用SC-Li3N界面層的全固態(tài)電池可在7.5毫安/平方厘米的高電流密度下循環(huán)6000次[15]。美國馬里蘭大學和羅德島大學使用一類還原性親電子試劑包覆在硫化物固態(tài)電解質(zhì)表面，形成薄且致密的LiF-LixPyOzF固體還原性親電試劑界面層，該界面層具有疏鋰特性，能有效抑制鋰枝晶的生長，組裝的Li(1% Mg)/SSE/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2電池能在7.1 mAh/cm2的負載下穩(wěn)定循環(huán)600次（約10000小時）[16]。
3、提升化學穩(wěn)定性
韓國浦項科技大學以高離子電導率的硫化物Li6PS5Cl（LPSC）為基體，在表面誘導生長對濕度穩(wěn)定的SnS44?單元，形成具有核殼結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)Li10SnP2S12(LSPS)@LPSC。在干燥的環(huán)境中暴露2小時后，(LSPS)@LPSC比未經(jīng)修飾的LPSC的鋰離子電導率高30倍[17]。浦項全球研發(fā)中心將硫銀鍺礦型固態(tài)電解質(zhì)Li5.4-2.4kPS4.4-4.4kO4kCl1.6-1.6k（HR-LiPSOCl）晶格結(jié)構(gòu)中PS4單元的Wyckoff 16e位點進行氧取代，使得電解質(zhì)在潮濕環(huán)境下的離子電導率衰減速度減緩，在200次充放電循環(huán)后的容量保持率由78%提升至84%[18]。北京科技大學向鋰硫銀鍺礦電解質(zhì)Li5.7PS4.7Cl1.3（LPSC）中加入雙功能摻雜劑InF3，可實現(xiàn)5.6毫西門子/厘米的室溫離子電導率，Li/LPSCInF/Li對稱電池在1毫安/平方厘米的電流密度下可穩(wěn)定循環(huán)1000個小時，組裝的LiCoO2/LPSCInF薄膜/Li電池在500次循環(huán)后容量保持率>83%[19]。美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校向LPSC電解質(zhì)的表面引入長鏈烷基硫醇進行修飾，構(gòu)造疏水保護層，大幅提升材料的耐濕性能。修飾后的電解質(zhì)（UDSH@LPSC）在暴露3天后耐濕性能提升100倍以上[20]。
4、降低成本
英國牛津大學探討了鋰金屬負極的降成本可行性，提出熱蒸發(fā)技術(shù)是最有望實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的鋰箔制造方式，經(jīng)過測算負極成本約為24.2美元/千瓦時，全固態(tài)電池的生產(chǎn)成本為158美元/千瓦時，略高于液態(tài)電池的126美元/千瓦時，考慮到高能量密度、高安全性和快充能力等優(yōu)勢，全固態(tài)電池仍具備一定的市場競爭力[21]。寧波理工大學提出了一種氧氯化物電解質(zhì)的水合輔助合成策略，將LiCl、AlCl3、AlCl3·6H2O等原料在260 ℃左右的低溫條件下進行研磨加熱，通過水合物分解最終得到LiAlOCl電解質(zhì)，離子電導率達到1毫西門子/厘米，組裝的全固態(tài)電池在循環(huán)500次后容量保持率＞95%。該方法通過降低合成溫度，極大地節(jié)約了生產(chǎn)過程中的能耗，可實現(xiàn)千克級或更大規(guī)模的生產(chǎn)[22]。
三、全固態(tài)電池技術(shù)未來發(fā)展趨勢
總體來說，目前沒有一種技術(shù)路線能全面匹配全固態(tài)電池的理論需求，未來3~5年研究人員將繼續(xù)圍繞基礎(chǔ)理論、材料開發(fā)和生產(chǎn)工藝不斷創(chuàng)新，將全固態(tài)電池推向?qū)嶋H應(yīng)用。
1、基礎(chǔ)理論方面
深入研究界面動力學與離子輸運機制，通過先進的原位表征技術(shù)，揭示固態(tài)電解質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)、缺陷分布對離子傳輸?shù)挠绊懀鞔_固-固界面處鋰離子的電化學沉積/剝離動力學路徑，結(jié)合計算模擬對離子傳導行為進行預測。解析鋰枝晶生長機制，除了關(guān)注固態(tài)電解質(zhì)的機械性能，也要結(jié)合材料的電子電導率、界面能及熱力學穩(wěn)定性等因素，建立涵蓋熱-電-力-化多場耦合的理論模型，闡明枝晶形核、生長直至短路的發(fā)展過程。研究電池全生命周期內(nèi)溫度場、電流場、力場等環(huán)境因素對材料體積膨脹、應(yīng)力積累、界面退化的作用機制，為電池設(shè)計提供失效預警指標。
2、材料開發(fā)方面
針對現(xiàn)有材料的性能短板，進行多體系材料復合、梯度設(shè)計以及表面修飾。通過設(shè)計硫化物-聚合物、氧化物-鹵化物等復合體系，兼顧柔韌性、離子傳導性與化學穩(wěn)定性。通過在正極側(cè)摻混使用耐高壓電解質(zhì)材料，在鋰金屬負極側(cè)構(gòu)造化學穩(wěn)定的中間界面層，進行電解質(zhì)層的梯度設(shè)計，維持高效離子傳導并實現(xiàn)對高容量電極材料的兼容性。通過化學包覆、氣相沉積等方式對材料表面進行修飾，優(yōu)化離子傳輸、降低界面副反應(yīng)、改善機械性能。隨著AI技術(shù)的迅速發(fā)展，其在材料開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用也受到廣泛關(guān)注，中國科學院院士歐陽明高認為，通過將AI運用于電解質(zhì)材料篩選，可以將研發(fā)周期縮短50%以上，并大幅節(jié)約研發(fā)費用，使全固態(tài)電池更快走向?qū)嶋H應(yīng)用。
3、生產(chǎn)工藝方面
結(jié)合材料體系開發(fā)，降低貴金屬、稀土元素等高價原料用量，探索機械球磨合成、水系合成、氨輔助濕化學法合成、低溫熱處理等簡化工藝、降低能耗的生產(chǎn)方式。針對干法成膜、等靜壓等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)合適的粘結(jié)劑與混料工藝，優(yōu)化壓力參數(shù)，實現(xiàn)電解質(zhì)與電極的致密接觸，研發(fā)連續(xù)化生產(chǎn)設(shè)備提高效率。結(jié)合3D打印等新型加工方式，探究電池的一體化制備技術(shù)，開發(fā)規(guī)模化生產(chǎn)設(shè)備。
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