电动汽车的最新发展表明，固态电池（SSB）电动汽车竞赛势头强劲。2024年1月，丰田汽车公司（日本丰田市）确认此前宣布的计划，将在2027—2028年期间开始生产SSB电动汽车[
1]。2024年5月，有消息称中国政府计划投资超过60亿元，用于推动SSB的开发项目[
2]。2024年6月，上海蔚来汽车有限公司开始向消费者提供配置半固态电池的电动汽车，这一混合动力技术可作为全固态电池版本的基石[
3]。2024年9月，中国最大的汽车生产商上海汽车集团股份有限公司宣布将于2025年推出其第一辆由SSB提供动力的汽车[
4]。
SSB采用固态电解质，摒弃了目前全球几乎所有在售电动汽车锂离子电池中所使用的液态电解质。电动汽车电池换成SSB确实具备诸多优点，包括提高安全性、加快充电速度、延长续航里程。小型设备（如心脏起搏器）已经使用SSB技术。采用更大的SSB可以提高电动汽车的性能，帮助实现从内燃机汽车向电动汽车的转型，此举是应对气候变化的关键策略。不过，开发这些电池的制造商面临着一系列挑战，包括电池化学性质的多变性以及大规模生产所要求的严格标准。电池制造商对于这些问题目前尚未达成关于最佳解决方案的共识[
5]。Thomas Schmaltz是弗劳恩霍夫系统与创新研究所（Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research）（德国卡尔斯鲁厄）的高级科学家，也是未来十年SSB开发路线图报告[
6‒
7]的合著者。他说：“想大规模生产固态电池并非易事，而且要在电池寿命、安全性、能量密度和成本之间找到平衡。”
传统电动汽车电池在充电和放电过程中，锂离子会在两个电极之间穿梭移动。锂离子在液态电解质中移动，该电解液通常含有溶解于有机碳酸盐中的锂盐。电池制造商通过调整电极和其他组件的构成，已逐步提升了锂离子电池的性能，使之具备更高的能量密度（即在一定质量或体积的物质中储存能量的大小）以及更快的充电速度等特征[
8]。但许多消费者依然对电动汽车的续航能力感到担忧[
9]，而且锂离子电池的续航能力可能不会有进一步的显著提升了。Schmaltz说：“我们目前正处于一个非常优化的阶段，此时改进的幅度将会逐渐减小。”
锂离子电池中的液态电解质也存在引发火灾的风险。经过多次充放电循环以后，电解质中会出现针状结构（即锂枝晶），该结构会导致锂离子电池短路甚至起火[10]。葡萄牙波尔图大学工程物理学助理教授Helena Braga的研究方向是SSB，她说：“我们使用SSB时最看重的就是其安全性。电池起火这类事故不常发生，但一旦发生便会造成严重的损失。”
SSB中包含的固态电解质（通常是氧化物、硫化物或聚合物）能避免火灾发生，同时也允许锂离子在电极之间迁移，这使得SSB能够安全地使用容量更高的电极[
11]。锂离子电池通常采用石墨负极，而SSB则可采用硅负极，甚至锂金属负极。这样，由于避免了石墨的重量负担，SSB的储能能力可达同等尺寸锂离子电池的2~10倍[
5]。
总部位于英国伦敦的Benchmark Mineral Intelligence是一家专注电池与电动汽车供应链的市场研究公司，其新技术产品负责人Rory McNulty说，三年前，许多公司都致力于研究锂金属负极，但事实证明，这成为了SSB研发的一个重大瓶颈。关键问题是，锂金属和硅材料在使用过程中会显著膨胀与收缩，这会在其与固态电解质的界面处形成间隙，从而导致电池性能下降[
12]。McNulty说：“一旦电极接触不到电解质，那部分电池就无法再使用了。”
一种解决方案是对电池层施加压力。Schmaltz说，这样有助于保持各层界面紧密相连，并抑制枝晶的形成。然而，尽管研究人员在实验室看到了这一方法的显著成效，但在实际应用中（即适用于商业化电池运行的低压条件下）则很难实现类似的效果[
7]。
为了降低成本并避免承载额外的无用负荷，需要确保SSB中不存在锂的浪费，所以锂金属负极必须由微米级厚度的薄片组成。McNulty说，传统的箔材制造工艺（如挤压和轧制）已无法满足需求，因此电池制造商必须开发替代的制造工艺。
中国的一些电池制造商转而采用了更传统的石墨负极，搭配使用已在锂离子电池中得到验证的正极材料（如镍锰钴氧化物[
13]）。然而，Schmaltz说，采用石墨负极意味着，这些SSB与传统的锂离子电池相比可能只会有微小的性能提升。
同时，研究人员和电池制造商仍在试验各种固态电解质（
图1）。2016年，法国Blue Solutions公司生产的电动公交车开始采用由锂金属阳极和聚合物电解质组成的SSB [
14]。但是，McNulty说，聚合物的导电性较差，因此该SSB充电需要数小时的时间，而且该电解质也需要预热[
15]。
McNulty指出，氧化物电解质的性能可能更佳，但材料存在易碎且难以制造的问题。另外，硫化物电解质通常充电速度最快，但化学稳定性不如氧化物，因此更难与电极建立稳定的界面[
7]。
总体来说，要将高能量密度、安全性及快速充电功能集于一体仍颇具挑战。Schmaltz说，这在一定程度上是因为，旨在优化某一特定性能的理想材料或电池设计往往对其他特性产生不利影响。比如，带有锂金属负极的SSB具备更高的能量密度，但是这种SSB的充电也较慢，而且锂可能会不均匀地附着在负极上，从而显著缩短电池的使用寿命。
这就是为何蔚来汽车的半固态电池能很好地起到一个过渡的作用。McNulty说：“这是一种评价电池制造流程以及固态电解质生产能力的方法，而且无须面临全固态系统所具有所有挑战。”
半固态电池包含一种凝胶或液态成分，该成分位于电解质和电极之间，且能够在电池中固态结构发生弯曲时形成一个可塑界面来填补间隙。至关重要的是，该类电池采用许多与传统锂离子电池相同的制造工艺，这大大缩短了其进入市场的进程[
3]。
由卫蓝新能源公司（江苏常州）生产的蔚来半固态电池采用一种氧化物电解质[
16]，其能量密度为260 W·h·kg
-1，比中国电动汽车制造商青睐的磷酸铁锂（LFP）电池的能量密度至少高出50% [
3]。蔚来电动汽车拥有一块容量为150 kW·h的电池组，优于容量为50~100 kW·h的锂铁电池组。由于搭载了更多动力，蔚来汽车单次充电的续航里程超过1000 km [
3]。一份报告显示，截至2024年5月，卫蓝新能源公司已经生产出了足够用于数千辆电动汽车的SSB [
17]。
McNulty说：“将续航里程提升至1000 km，这一成绩令人瞩目。”这些汽车的设计理念是，整个电池组可以在自动化站点进行更换。这一策略通常是为了避免漫长的充电时间，也将使蔚来和卫蓝能够更轻松地研究半固态电池在实际使用中的表现，从而进一步进行产品优化[
18]。
丰田汽车公司仍在尝试使用硫化物固态电解质的全固态电池。该公司表示，他们已经取得了一些技术突破，能使电池在10 min内充电至80%电量，续航里程高达1200 km [
1]。丰田公司还宣称，其生产电池的速度和锂铁电池生产线一样快[
19]。
丰田公司多年来一直承诺即将推出自己的SSB，但一些行业观察人士预计该公司的时间表可能会再次延后[
20]。不过，众多其他电池制造商，包括宁德时代新能源科技股份有限公司、LG化学（韩国首尔）和三星公司（韩国水原），都报道称将在2030年前实现电动汽车SSB的商业化生产[
21]。2024年1月，大众汽车公司宣布已成功测试了产自美国加利福尼亚州圣何塞一家初创公司QuantumScape的锂金属阳极SSB [
13]。该SSB在实验室中达到1000次充电周期，电量损失不超过5%，而且QuantumScape公司称其电池容量为400W·h·kg
-1。Benchmark公司预言，尽管目前中国拥有最大的SSB产能，但未来十年，其他地区也可能提高SSB产量（
图2）。
即使存在这些发展迹象，但目前仍不确定SSB是否能够以足够快的速度和足够低的成本实现大规模生产，从而使其能够与传统的锂离子电池形成有力的竞争[
13]。McNulty说：“电池制造商能否像生产锂离子电池那样快速生产SSB，同时确保能够实现完美的固态连接呢？这才是他们目前仍面临的真实难题。”
目前而言，SSB可能还需要经过更多年的完善之后才会实现更广泛的推广应用。McNulty说:“到2030年左右，我们将看到SSB进入高端应用市场：豪华跑车和军事应用领域。在这些领域中，电池性能和安全性是首要考虑因素，而成本则是次要的。”他认为，SSB最终会在2033—2038年间进入大众电动汽车市场，“未来很长时间内，锂离子电池仍将拥有巨大的应用空间。”
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