过去几年，功率半导体的创新显著加速了电动汽车的全球部署。碳化硅 mosfet 等宽禁带器件的改进型，为电动动力系统中更高效率的牵引逆变器铺平了道路。同时，这些元件使得大功率快速充电器成为可能，缩小了电动汽车与传统燃油车常规加油体验之间的差距。与此同时，氮化镓(GaN)技术进一步优化了车载充电器和 DC-DC 转换器——电动汽车的另外两个关键要素。

然而，电池技术的发展速度似乎一直未能与半导体并驾齐驱——直到现在。

近期，中国汽车制造商东风汽车已开始测试固态电池原型。东风声称其能量密度达到 350 Wh/kg，预计可实现 1000 公里的续航里程。测试正在中国东北的漠河地区进行，当地气温低至零下 40 度至零下 30 度。初步测量结果显示，与标准液态电解质电池相比，其性能有显著提升，即使在零下 30 度的环境下，固态电池仍能保持 72% 的容量。

此外，中国科学技术大学的研究人员宣布了一项突破，解决了固态电池实际应用中的一个主要障碍：其在运行过程中对外部高压的依赖。该研究团队的研究成果发表在《自然·通讯》期刊上。

锂离子电池化学原理

当今大多数电动汽车使用含有液态或凝胶电解质的锂离子电池。这些电池本质上作为可逆的电化学电池工作，通过氧化还原反应，在阳极和阴极之间经由电解质穿梭锂离子来储存和释放能量。阴极由金属氧化物(如镍锰钴或磷酸铁锂)制成，决定了电池的容量和电压。

在放电过程中，当电池为电动汽车的牵引逆变器供电时，先前在充电时储存在阳极的锂离子从阳极移动到阴极，电子则通过外部电路流入电动机绕组。相反，在充电阶段，电压源迫使锂离子离开阴极并重新定位到阳极中(嵌入)。

充电时，根据简化反应，嵌入阴极材料晶格中的锂原子通过氧化(失去电子)转化为正离子 (Li⁺)：

LiMO₂ → Li₍₁₋ₓ₎ MO₂ + x Li⁺ + x e⁻

其中，M——过渡金属，如钴、镍、锰——用于稳定嵌入正在被提取的锂离子的晶体结构。变量 x 是被氧化的锂原子的摩尔分数，即转化为 Li⁺ 的锂原子的相对量。

放电过程中，发生相反的过程：Li⁺ 离子离开阳极并重新定位到阴极(还原)。

电解质在传导离子的同时充当电子的屏障，电子则被引导至外部电路。整个结构中还有一个多孔膜——隔膜——用于防止阳极和阴极相互接触。

电池性能指标

电池性能可通过以下参数进行评估：

功率密度 (W/kg)：表示电池释放能量的速率;它衡量汽车的加速能力。

能量密度：衡量单位重量 (Wh/kg) 或单位体积 (Wh/升) 储存的能量。重量密度影响续航里程和整体效率，而体积密度则制约着车辆设计和电池封装。

比功率 (W/kg)：表示提供或吸收大电流的能力;它与加速性能、充电速度和再生制动效率直接相关。

循环寿命：定义为电池容量降至特定阈值(通常为初始容量的80%)之前经历的充放电循环次数，代表电池组在使用方面的有效寿命。

电池管理系统持续监控的其他参数包括荷电状态(SoC，可用容量相对于标称容量的百分比)和健康状态(SoH，剩余容量相对于其初始额定容量的百分比)。

由于锂离子电池对热量非常敏感，冷却系统必须将工作温度维持在安全范围内，以防止性能衰退和热失控。

固态电池的优缺点

一般而言，固态电池可分为全固态电池和半固态电池，具体取决于是否去除了所有液态成分或仅去除了部分。前者架构因不含易燃材料，在能量密度、热稳定性和安全性方面提供了最佳解决方案，但由于层间界面电阻高以及循环过程中的机械应变，也带来了挑战。半固态电池是电动汽车短期内的可行解决方案，但全固态版本被认为是下一代电动车型的最终发展方向。

除了消除爆炸风险(这是电动汽车和便携式电子产品的先决条件)之外，全固态电池还具有更高的能量密度，从而在给定充电量下实现更长的续航里程。此外，由于离子传输效率更高，充电时间趋于缩短：充满电可能只需几分钟而不是几小时。最后，这类电池随时间推移的衰退倾向更小，从而提供更长的循环寿命。

相比之下，基础材料和制造成本仍然昂贵，需要进行大量的研发投入，而中国制造商完全有能力承担此类成本。

温度敏感性仍然是一个障碍，因为这些电池在极寒气候下难以维持可接受的性能水平。

一项新的技术里程碑

在全固态电池中，电解质和电极都是刚性元件，因此在这些固体层之间保持足够的界面接触可能需要施加极高的压力。在制造过程中，致密化压力通常达到数十至数百兆帕(1 兆帕 ≈ 10.2 千克力/平方厘米)，这主要在先进的实验室中才能实现。同时，在电池运行期间，需要较低的电堆压力——几个兆帕——来维持界面接触。只有高度柔顺的固体电解质才能有效变形，以确保与电极活性材料紧密粘附，而电极活性材料在充放电循环中会不断膨胀和收缩。

其他潜在问题，如电化学稳定性和抑制锂枝晶，可以通过替代方法解决，例如电极涂层和银-碳中间层。

如何提高机械柔顺性

为了找到真正具有机械柔顺性的材料，作者选择了恰当的物理指标。杨氏模量——衡量材料在特定力作用下拉伸或压缩程度的指标——并不是一个合适的指标，因为它描述的是弹性变形，这通常仅限于固体电解质在循环过程中的初始低应力状态。在大应力下，弹性变形让位于塑性变形(与硬度相关)，后者能够实现更有效的结构变化。虽然先前的研究将低硬度和低杨氏模量值作为确保循环过程中良好电解质-电极接触的主要因素，但目前的固体电解质(如硫化物和卤化物)的硬度通常高于 1 GPa，杨氏模量超过 15 GPa。

为了解决这个问题，该团队开发了一种新型无机固体电解质，其中包含锂、锆、铝、氯和氧，化学式表示为 1.4Li₂O-0.75ZrCl₄-0.25AlCl₃。

这种材料以合理的成本实现了 0.22 GPa 的硬度和 1.41 GPa 的杨氏模量。结合室温下高离子电导率 (2.55 mS/cm)，这种机械柔顺性使得该全固态电池单体能够提供 3.92 mAh/cm² 的面容量，并且在 25°C 下循环 100 次后容量保持率为 90.11%——超过了通常认为对电动汽车实际运行所必需的阈值。

可扩展性与工艺

虽然具有高柔顺性，但这种无机电解质仍保持稳定的粉末形态，而非凝胶状。这一特性使其能够与现有的工业方法(如卷对卷加工和高压"压延"——通过辊压压实材料的过程)集成，且不存在材料不可控变形的风险。利用可扩展的干法制造工艺，该团队成功制造了采用锂金属阳极和超高镍三元阴极(由镍、钴、锰组成的氧化物层)的软包型全固态电池原型。

成本分析

为了评估氯化物固体电解质的成本(原材料和加工)优势，作者聚焦于可用的前驱体 ZrCl₄、AlCl₃ 和 Li₂O，与硫化物电解质所需的高纯度试剂相比，这些前驱体具有成本竞争力。

使用粉末前驱体和高能球磨——一个关键的机械化学过程——对于可扩展性至关重要。

为了评估加工成本，作者假设生产在低湿度房间内进行，使用 28 台工业行星式球磨机，每台每批次生产 28 公斤固体电解质。

硫化物电解质(Li₂S-P₂S₅)需要高纯度的硫化锂，其合成成本昂贵(超过每公斤 650 至 1000 美元)。相比之下，四氯化锆是一种低成本替代品，因为锆元素储量丰富，且氯化物化学品在工业中相当常见。

研究人员估计其材料成本约为每升 43.70 美元，不到常见硫化物固体电解质成本的 5%。

从实验室到道路

同行评议意见证实，所公布的突破有望为全固态电池研究做出重大贡献，有助于从实验室规模试验迈向大规模实际应用。

在这些学术研究塑造电池技术未来的同时，中国汽车工业也在坚定地向前推进。采用混合复合氧化物-聚合物电解质的高容量电池，预计将于 2026 年底在东风奕派 eπ 007 轿车和 eπ 008 SUV 上首次亮相。此外，东风旗下豪华品牌岚图汽车也计划在其即将推出的旗舰车型上采用这项 350 Wh/kg 的技术，为其高端产品线提供卓越的续航里程和安全特性。