【编者按】随着智能电动汽车的飞速增长，汽车产业也迎来了一轮新科技大爆发。
在科技飞速发展的当下，车企领导们整天抛概念，汽车工程师们长期996。然而，当技术传递到汽车消费者这里，就只剩下了配置和功能了。
然而，由于软件时代的技术越来越抽象，新技术迭代速度过快，导致不少普通汽车消费者或汽车发烧友虽然仍对汽车技术感兴趣，但脑力仍倒在了极高的认知门槛下。
百度有驾特推出《汽车科技论》栏目，为普通人“踏平”汽车技术认知门槛。本文为栏目第13篇，跟大家聊聊“固态电池”的前世今生。
这几年，新能源汽车消费热度持续攀升。通过数据我们可以看到今年1—6月，国内新能源汽车产销累计完成492.9万辆和494.4万辆，同比分别增长30.1%和32%，市场占有率达到35.2%。这些数字表明，消费者对于新能源汽车的认知水平与接受程度大幅提高。
不知大家发现没有。近两年，大部分纯电车型的续航基本在600公里左右徘徊。究其原因，还是与动力电池本身有关。作为新能源汽车的核心科技，动力电池逐步成为新能源汽车产业链中的“焦点”。
一直以来，纯电动车主要以三元锂电池和磷酸铁锂电池为主，但是受到电池材料属性以及技术的局限，锂离子电池在能量密度方面，短时间内很难有新的突破。想要更长的续航，只能依靠堆砌电池包，体积越大重量越重，价格自然也水涨船高。
为了解决这些痛点新型电池技术——固态电池随之而来。7月29日，上汽集团总裁贾健旭表示，该公司的全固态电池已经开启了500天投产计划，进入投产倒计时。而在一天前的SNE电池日展会上，三星SDI刚刚宣布，已向客户交付了首批固态电池产品，并在接下来将进行为期六个月的测试。
不仅是以上两家企业。进入2024年以来，比亚迪、广汽、宁德时代等多家企业都曾对外公布在固态电池领域的工作进展。
相比目前主流的液态电池，固态电池在能量密度、安全性、充电倍率和循环寿命方面都有着显著优势。那么固态电池的上车存在哪些难点与问题呢？今天就让我们好好聊一聊。
在聊固态电池之前，咱们先说说什么是动力电池。
作为新能源汽车的核心组成部分，动力电池为电动汽车提供动力来源，其性能直接影响到新能源汽车的续航里程、安全性和整体使用体验。
目前新能源汽车中最常见的为三元锂电池与磷酸铁锂电池两种类型。所谓三元锂和磷酸铁锂指的是正极材料，负极一般为石墨。从化学原理的角度来看，磷酸铁锂电池更加安全的，不容易自燃。同时其较为不活泼的电解质和极板材料也注定了它的锂枝晶生长速度更慢，而生长出来的锂枝晶还原的可能性也更大。
三元锂电池在低温时表现的更为稳定，不过由于三元锂电池在高温下容易过热，存在一定安全隐患。磷酸铁锂电池的稳定性是目前车用锂电池中最好的，但是在能量密度上较三元锂电池、钴酸锂电池仍有差距。还有就是在极寒状态下，充电效率有所降低，在温度过低情况下，会影响电池的电容。
目前用在纯电动车和插电式混动车中的锂电池主流方案大致有三种——圆柱形电池，方形电池和软包电池。它们采用的核心材料区别并不大，区别主要是软包电池采用铝塑复合膜外壳，而圆柱电池和方形电池都采用金属外壳，也就有了“软硬”之分。
软包电池顾名思义，被包裹在相对软质的金属薄膜中，其也广泛用于平板电脑和其他消费电子产品中，重量更轻。但在激烈碰撞中有电解液泄漏风险。
此外，三元锂电池与磷酸铁锂电池，二者电芯堆叠方式不同，三元锂电池的堆叠方式一般都是柱状垂直排列，有代表性的两家厂商就是特斯拉与宁德时代。以特斯拉4680大圆柱电池为例，这种电池包内包含数百个圆柱状的电池，每排电池之间加入冷却带，然后用聚氨酯泡沫把大量圆柱电池一齐注入电池包中，因此看着电池包就如同蜂窝一般。
当下新能源车型常见的锂离子电池和锂离子聚合物电池，也可以称之为液态金属电池。这种设计中锂离子与两个固体金属电极与充当电解质的液态锂盐一起使用。当电池充电时，离子颗粒从一个电极（阴极）移动到另一个电极（阳极），并且当它放电时反向移动。
这类电池存在两大问题，其中安全性方面液态电池的安全性相对较低，特别是在极端条件下容易发生过热、起火等事故。此外，液态电池存在自放电现象，长时间不使用时会自行失去能量。
为了解决这样的弊端，固态电池技术应运而生，作为一种新兴的电池技术，其电解质不再是液态，而是固态。固态电池被认为是电动汽车未来的发展方向，因为它可以克服液态电池的一些限制。
固态电池是一种使用固态电解质的电池，用固态电解质替代了传统锂电池的电解液和隔膜。固态电池的工作原理与传统液态锂电池的原理相通。
充电时正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌，通过固态电解质向负极迁移，电子通过外电路向负极迁移，两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中；放电过程与充电过程恰好相反。
固态电池的最大特点就是使用了固体电极和固体电解质，所以固态电池相比目前主流的液态电池。在能量密度、安全性、充电倍率和循环寿命方面都有着显著优势，理论上能解决电动汽车目前存在的痛点。
要知道，电池能量密度直接影响电动汽车的续航里程。
首先我们从电池能量密度来看，固态电池摆脱了传统的液态电解质，完全由固态电解质替代，同体积条件下，固态电池能量密度大幅提升。目前已经探知的能量密度高达500Wh/kg，这几乎是当前锂离子电池能量密度的两倍以上，这就意味着续航里程也将大幅提升，1000公里只是固态电池的起点。
从安全性来看，现阶段电动汽车主要使用液态锂电池，液态锂电池使用的电解液（包含碳酸酯电解液、聚合物电解质、混合电解质和固态电解质）是可燃的，在发生短路或受到穿刺等情况时，电池有起火的风险。而固态电池采用固态电解质来传导锂离子，拥有不漏液、无腐蚀、不易燃，受高温/低温等环境影响较小等特点。
固态电池本来就是固体，不存在液体粘度的问题，所以低温情况表现较比会更好。高温情况下，燃烧、爆炸概率仅有常规电池的二十分之一。电池稳定性方面，固态电池在碰撞、挤压、针刺等极端环境下化学活性更稳定。
正因如此，固态电池可以把能量密度做得更大，液态电池能量密度的极限是350Wh/kg，而固态电池可达到500Wh/kg以上。
有业内人士称固态电池循环充电可达6000多次，寿命更长，所以固态电池在能量密度、稳定性、寿命等方面的优势都很明显。
根据固态电解质的不同，目前固态电池有聚合物、氧化物、硫化物三种技术路线。
聚合物：聚合物固态电解质以欧美企业技术最为成熟，商业化难度较小，未来有望率先实现大规模量产，但是其电导率低、能量密度低；氧化物：氧化物固态电解质综合性能好。
硫化物：硫化物固态电解质的电导率最高，延展性更好，潜力最大。但是其机械性能差，生产工艺复杂，如何保持高稳定性是一大难题。
正极材料方面，理论上固态电池正极仍可沿用现在的磷酸铁锂、三元材料等体系，但需要选择更高容量的正极材料来提升固态电池能量密度。目前，固态电池正极开发主要集中在高镍三元正极、镍锰酸锂、富锂锰基等路线。
负极材料方面，目前锂电池的负极材料主要为人造石墨，其具有电导率高和稳定性好的优势，但石墨材料的比容量理论值较低。固态电池对高能量密度的要求，将促使负极材料从石墨负极向硅基负极发展，长远将向金属锂负极迭代。
其中高镍三元正极凭借能量密度高、倍率性能好、商业化程度高等优势，成为当前主流正极材料体系。不过，富锂锰基、镍锰酸锂等材料高能量密度优势突出，有望成为未来的主要方向。
此外，相比液态电池，固态电解质需要使用部分稀有金属原材料，包括氧化物电解质含锆、镧金属，硫化物电解质含锗金属。
据比亚迪弗迪电池公布的最新资料显示，从技术路线选择上看，弗迪电池极有可能选用了高镍三元（单晶）+硅基负极（低膨胀）+硫化物电解质（复合卤化物）的技术路线。其电芯容量可以做到60Ah以上，体积比能量密度达到800Wh/L，电池包能量密度超过280Wh/kg。
从成本上来看，弗迪电池先降本固态电解质，再将整体材料BOM的成本在2027年计划降本20~30倍，再通过提高产品良率+规模化效果+工艺优化等方式，将制造成本降低30%～50%，届时将具有不错的价格竞争力。
从量产时间上来看，比亚迪将在2027年小批量生产，搭载于比亚迪高端车型上，示范项目规模约为1000台；2030年，预计将有4万台车辆搭载全固态电池；2033年，预计将有12万台车辆搭载全固态电池。
除了比亚迪之外，广汽集团宣布全固态电池计划于2026年上车，届时将首先搭载于昊铂车型；领新新能源宣布固态聚合物电池产线已实现量产；太蓝新能源宣布研发出世界首块车规级单体容量120Ah、实测能量密度高达720Wh/kg的超高能量密度体型化全固态锂金属电池。
2023年11月，长安汽车表示，将不晚于2027年推动重量能量密度达到350-500Wh/kg、体积能量密度达到750-1000Wh/L的半固态、固态电池并逐步量产应用，并于2030年实现全面普及。
2024年5月，上汽集团在新能源技术发布会上表示，上汽全固态电池将于2025年在上汽自主品牌实现规模搭载，于2026年实现量产。该全固态电池第一阶段产品能量密度超过400wh/kg，第二阶段产品将突破500wh/kg。
宁德时代首席科学家吴凯此前透露，宁德时代有机会在2027年小批量生产固态电池。如果用1-9数字表示全固态电池的成熟度，宁德时代目前的成熟度在4的水平，目标是2027年到7-8的水平。预计到2027年，宁德时代实现全固态电池小批量生产。
2024年5月，国轩高科发布了全固态电池金石电池，其能量密度达到350Wh/kg，预计2027年实现全固态电池小批量上车实验，2030年实现量产；卫蓝新能源预计到2026年底实现全固态电池量产；欣旺达计划2026年实现固态电池量产。
可以预见，随着技术的不断进步和产业的持续发展，固态电池有望在未来几年内实现重大突破，或将为新能源汽车和储能等领域带来革命性的变革。
如今越来越多车企、电池厂商都将目光转到固态电池领域。就目前来看谁能率先让固态电池上车，谁就拥有了先发优势。
于是，一场关于固态电池的“争夺”战打响。新能源车企巨头比亚迪自研布局固态电池技术专利，包括氧化物与硫化物路线，已完成生产，可进行装车试验。此外，蔚来、赛力斯、上汽等车企，也与固态电池厂商合作致力于量产装车，如蔚来与卫蓝新能源，赛力斯与赣锋锂电，上汽与清陶能源等。
不可否认，全固态电池是公认的下一代电池的首选方案之一，也将成为下一代电池技术竞争的关键制高点。但也有人对固态电池发展有不同声音，多位业内人士表示，固态电池技术尚未突破，新型电池材料的研发仍然是一大痛点，至于距离电池量产，总体仍持谨慎态度。
目前固态电池主要面临两大痛点，一是技术还不成熟，二是成本较高。从电池材料研发技术来看，本身固态电解质的电导率偏低，还达不到目前液态锂电池的电导率水平，意味着电池内阻偏大，充放电性能会受到一定影响。
此外，全固态电池目前仍面临负极、固态电解材料技术突破等问题，正负极材料、电解质的综合成本几乎占了电池的大半。未来3-5年想要实现规模化、产业化还有较大难度。
从固态电池成本来看，电池新型材料是成本的关键，综合成本几乎是目前锂电池的两倍以上。也就是说，以目前100度的锂电池为例，综合成本都在15万以上，那意味着全固态电池可能近30万。
在当下这样的过渡阶段，不少车企推出了“半固态电池”概念。
具体来看半固态电池，采用了固态电解质与液态电解质的混合设计。在电极材料上进行了创新，它采用细小的锂化合物粒子与液体电解液混合形成的泥浆作为电极材料，这种混合设计使得电池在保持固态电池高安全性的同时，也具备了液态电池的高离子传输速率。
此外，半固态电池的结构也独具特色，通过两束带正负电的泥浆流和能透水的膜实现离子的交换与电流的流动。
半固态电池与固态电池在原理上相似，但之间有三个明显差异。首先，电解质的状态不同。固态电池使用完全固态的电解质，而半固态电池则采用固态电解质与液态电解质的混合设计。
其次，能量密度的上限不同。固态电池由于完全采用固态电解质，能量密度通常更高。当然，半固态电池通过优化电极材料和结构设计，也能实现较高的能量密度，满足大多数应用的需求。
最后，固态电池由于采用了全新的结构和材料，生产工艺相对半固态电池会更加复杂，成本也较高；而半固态电池则可以在一定程度上借鉴传统液态电池的生产技术和设备，降低了生产成本，更有利于大规模商业化应用。
今年7月，蔚来汽车更新了用户手册，旗下多款车型添加了150kWh的半固态电池包，其能量密度达261Wh/kg，续航可达1000公里。在蔚来之前，岚图在今年一季度就曾推出搭载半固态电池的新车：蓝图追光，不过电池包容量只有109度，官方续航为730km。此外还有上汽、北汽等车企均表示最近两年内实现半固态电池量产。
虽然全固态电池有很多技术难点，但在电动化大趋势下终将被攻克。有内行人称，较为理想的情况是2027年前后，全固态电池能量密度可达400Wh/kg，真正小规模量产装车或将要到2030年，而要大规模量产或将要到2035年。结合相关企业发布的量产时间来看，固态电池“上车”规划普遍都要到2028年至2030年左右。
而在固态电池未实现量产之前，三元锂电池、磷酸铁锂电池仍将是主流动力电池。对于很多消费者来说，续航固然重要，但性价比同样重要。
除了刚刚介绍的企业外，“国家队”也即将呼之欲出。5月29日，《中国日报》报道，中国或投入约60亿元，鼓励有条件的企业对全固态电池相关技术开展研发。宁德时代、比亚迪、一汽、上汽、卫蓝新能源和吉利共六家企业或获得政府基础研发支持。
报道称，多位知情人士确认，此项行业内史无前例的项目由政府相关部委牵头实施，鼓励有条件的企业对全固态电池相关技术开展研发。据悉，该项目经过严格筛选后，最后具体分为七大项目，聚焦聚合物和硫化物等不同技术路线。
尽管具体金额尚未确定，但从该消息可看出，国家正向汽车行业传递信号——固态电池技术将会得到国家扶持。
整体来看在固态电池领域，日本、韩国、美国和欧盟等都在积极布局固态电池产业，特别是日本对于固态电池的研究处于领先地位，汽车企业和电池企业纷纷加入相关产业链角逐。尤其是丰田，拥有全固态电池专利1300多项，居全球车企首位。从市场看，中国是全球固态电池专利布局最多的，约占31.4%，而日本约占27%。
日本、韩国在全固态电池布局方面早于中国。日本在《蓄电池产业战略》中提出，2030年左右实现全固态锂电池商业化应用。2023年10月，丰田汽车宣布，争取2027年至2028年实现全固态电池进入实用化阶段。
不久前，三星在韩国首尔举办的SNE电池日展会上展示了其最新的电池技术。活动现场，韩国三星SDI还公布了全固态电池规划，承诺将在2027年量产，丰田表示其首款搭载固态电池的车型将是雷克萨斯品牌的高端电动汽车。
三星 SDI 副总裁表示，汽车制造商对固态电池的兴趣浓厚，因为它们比目前的电动汽车电池更小、更轻、更安全。他还补充说，固态电池的生产成本较高，因此初期将主要应用于高端豪华电动汽车，续航将超过600英里（约965.61公里）。
相比传统锂离子电池，固态电池具有更长的行驶里程、更快的充电速度、更高的安全性、更长的循环寿命以及更强的温度适应性。正因如此不少网友喊出了，“固态电池普及之日，就是燃油车退出历史舞台之时”。
虽然这句话有点过于夸张，但不可否认，固态电池确实能够解决电动汽车目前存在诸多痛点。当然了，当下面临的难点也是非常明显的，那就是成本问题。相信随着未来技术的不断成熟，成本或将逐步降低，固态电池也将在不久的将来迎来大面积“上车”。
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文丨高一飞
编辑丨王歆、张宇喆
出品丨有驾报道
本文来自微信公众号“有驾”，作者：高一飞，36氪经授权发布。
