背景
在交通工具电动化发展的浪潮下，锂离子电池产业得到了快速发展，随着电动交通工具的更新迭代，传统的液态锂离子电池在能量密度、使用寿命、充电性能以及安全性等方面很难满足消费者对电动汽车的要求。这种情况下固态电池技术应运而生，成为锂离子电池研究的热点，被认为是全新一代锂离子电池，深受资本喜爱，产生了一大批固态电池公司，这些公司基本上都承诺或者宣称固态电池技术与现有液态电池技术相比具有更高的能量密度、更长的循环寿命、更好的充电性能以及绝对安全等性能。以国内为例，尽管从去年开始国内资本市场持续低迷，但资本对固态电池的投资热度不减，如福建总投资30亿元的福建巨电新能源股份有限公司单体大容量固态聚合物动力锂离子电池一期项目正式投产；台湾辉能在今年1月份完成由软银中国资本领投1.5亿美元融资；清陶发展在7月份完成由北汽产投、中银投资等主导的C轮融资；早些时候北京卫蓝举行了固态电池一期项目奠基仪式，项目总投资5亿元；另外赣锋锂业等公司纷纷布局固态锂离子电池业务。本文从固态电池结构、能量密度、循环寿命、安全性等几个方面，对固态电池进行解析，期望能够深入的、全面的了解固态电池。
固态电池结构
图1给出了固态电池与传统液态电池内部结构图，关于固态电池化学体系主要有两类，第一类采用金属锂做负极的化学体系，第二类正负极的化学体系与常规液态电池正负极化学体系相同。两类固态电池与液常规的液态电池相比最大的不同是电解质形态不同，固态电池中采用了固态电解质（包括有机聚合物、无机物），并且固态电解质充当液态电池中隔膜的角色。
图1 固态电池与液态电池结构示意图
一些企业或者媒体宣传认为采用了固态电解质代替了液态电池中的隔膜，固态电池体积与液态电池相比存在优势。作者认为，固态电解质的应用对电池体积的影响较小，一方面，当前固态电池中固-固界面没有完全解决，与液态电池同样厚度的电极将需要更多电解质，一般认为要过量20%以上；另一方面，如果固态电池采用较薄的电极，与液态电池同样容量的固态电池将意味着需要更多数量的电极片，多余电极中正负极集流体将占据一定的空间。
能量密度
固态电池能量密度是人们普遍关注的参数之一，固态电池能量密度高于传统液态锂离子电池的能量密度的报道屡见不鲜。图2给出了锂离子电池的工作原理示意图，充电时，正极材料中的锂离子脱出，经过电解质向负极移动，并嵌入负极材料中；放电时，锂离子由负极材料中脱出，经过电解质回到正极材料中。由公式可知，电池质量相同时能量密度取决于电池容量和电压，那么电池容量主要取决于电池体系中可逆的锂离子数量，由工作原理可知可逆反应的锂离子主要来源于正极材料。
图2锂离子电池工作原理
(Q：表示电池容量；U：表示电池额定电压；n：表示电池中可逆的锂离子摩尔数；F：法拉第常数)
通过较为理性的分析可知当固态锂离子电池正负极化学体系与常规液态锂离子电池体系相同，当充放电电压相同，同一容量的两类电池，固态电池中因采用了密度更高的固态电解质（见表1），造成总重量较高，能量密度低于液态电池能量密度；当充电电压高于液态电池时，固态电池中可以脱出更多的锂离子，意味固态电池将有高的容量，但因采用了密度更高的固态电解质，造成电池总重量较高，只能说能量密度有可能高于液态锂离子电池，但由于正极脱出了更多的锂离子，导致材料不稳定性增大，牺牲了电池寿命。另一方面，采用不同的化学体系，如固态电池采用金属锂做负极，金属锂负极在一定程度上能够弥补因副反应而损失的锂离子，能够在一定程度上提升电池的能量密度，但是如前面所述，电池容量或者能量密度主要取决于电池正极材料中可以脱嵌的锂离子，仅仅改变负极，对电池能量密度提升有限；如果采用高能量高电压正极材料时，固态电池能量密度将超过液态锂离子电池，但是目前该类材料如富锂锰基正极材料材料本身存在较大的问题尚未解决，短期内无法投入实际应用，另外液态电解质也正向高电压方向发展，目前4.5V电解液已经能够满足3C电池应用，随着5V电解液开发完成，届时固态电池在高电压材料中的优势不复存在。
表1不同类型电解质密度
电解质类型
密度
固态电解质
LLZO
5.07g/cc
LAZP
2.93 g/cc
LAGP
3.56 g/cc
LLTO
5.01 g/cc
Li3PS4
1.87 g/cc
Li7P3S11
1.97 g/cc
液态电解质
0.9-1.2g/cc
使用寿命及高倍率充电性能
在液态锂离子电池体系中，电极与电解液会发生一系列不可逆的化学反应，消耗电池中的电解液是引起电池寿命衰退的原因之一，固态电池与之相比，这一问题被大大减小，会在一定程度上延长电池使用寿命。但在实际情况下，固态电池中固-固界面，随着循环次数的增加，将出现恶化现象，影响电池使用寿命，公开资料显示，丰田的工作人员曾公开表示承认，丰田目前还没有完全掌握如何让全固态电池的寿命可以支撑整车20万公里的寿命，另外某公司开发的固态电池经过1000次循环，容量保持率为88%，这些数据都表明，当前固态电池循环寿命与液态电池相比不存在任何优势。
关于倍率充电性能，固态电池的充电效率并不比当前的锂电池高太多，电池充电性能主要由负极材料所决定，如果采用常规的石墨类负极，是不适合进行快速充电的，这一现象在业内基本已经达成共识。
安全性
很多人认为固态电池是绝对安全的。固态电池也并非所有的都安全，实际上，固态锂电池因采用了固态电解质，在固-固反应中减少了可燃气体的排放，同时由于没有可燃的电解液等材料，安全性能得以提升。但在一些极限条件下，也会发生热失控等问题，如果采用活性比较高的金属锂作为负极，将大大降低固态电池的安全性，一旦发生碰撞导致金属锂裸露，将产生严重的后果。
Pack工艺
固态电池内部用机聚合物或者无机物替代了液体电池中的液体电解质和隔膜，降低了电池成组工艺的复杂程度；作为固态电池，可以实现电池内部串联，如图3所示，实现电池内部电压提升，有利益减少模组辅助材料，提升电池组的体积能量密度和质量能量密度，同时降低成本。
图3 固态电池与液态电池串联图示
提到固态电池成组工艺，全球范围内，不得不提固态电池另一特性，内部串联。包括丰田、辉能以及ILIKA都在提内部串联是固态电池的优势，其中辉能官网给出了内部串联可以做到2串甚至24串，国内从事固态电池开发的企业确少有报道，主要原因，笔者认为，国外固态电池是在现有锂离子电池正负极材料基础上采用了与现在完全不同与现在传统意义上锂离子电池制造工艺，所制造的电池为全固态锂离子电池，国内恰好相反，认为要实现固态电池需要经历几个阶段，由半固态逐渐向全固态过渡。当前宣传的产品大部分是半固态电池，里边有隔膜和一定量的电解液存在，当前这类电池无法实现内部串联。
写在最后
最后，笔者想说的是，锂离子电池有多个性能指标，作为用户或者投资人，要综合多个性能指标去评价一款电池的性能，如果一款电池能量密度很高，循环寿命仅有几次，这对于二次电池有什么意义？作为产品供应商应该给用户或者投资人传递正确的信息，而不是误导用户或者投资人。
