不自燃、续航不焦虑的电池离我们还有多远？

水有三态 —— 液态、气态和固态，现代硬盘主要有两类，机械硬盘、固态硬盘；或许你有听说过，其实电池也有「固态」的。

固态硬盘称之为「固态」的解释有多个版本，但通俗来说，它由固态电子存储芯片矩阵列组成的，相比起以磁性材料为存储介质的机械硬盘，其形态更为固定，故成为「固态硬盘」。

固态电池是否也是如此呢？

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电池如何「固态」？

如今大多数的蓄电池，特别是锂离子电池，其电解质都是液态的，可以称之为「液态锂离子电池」—— 而所谓「固态电池」其实就是与之相对的一种锂离子电池技术。

我们知道，如今成熟的锂离子电池内部的结构包括有正极（阴极）、负极（阳极）、电解质，还有分隔阴阳极（正负极）的隔膜。

▲ 传统锂电池（左）与全固态电池（右）内部结构示意

而固态电池，将当中原本液态的电解质改为了固态材料，并去掉了独立的隔膜结构。

当然，固态电池的类型也是多种的，以电解质来分，有氧化物、硫化物、聚合物等，它们都有不同的优势和劣势，成本上也各有优势，这方面后面再聊。

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电池为什么要固态？

聊到我们今天已司空见惯的「液态锂离子电池」，总能找到它的槽点 —— 自锂离子电池面世以来，它的进步仍赶不上我们的需求，即使是近几年电动汽车的发展带动了锂电池技术的发展，今天的手机还得一天一充、电动汽车的续航仍比不上油车；即使配套的电池管理技术再怎么完善，电池本身的安全性的进步仍有限，仍时不时有手机电池自燃烧伤用户、电动汽车自燃难以扑灭的新闻出现。

现实中，电池的容量和安全二者常常会处于博弈的关系中，例如被广泛用作动力驱动的磷酸铁锂和三元锂电池，前者能量密度略低、热稳定性高（安全性较强）、不耐低温、寿命长、成本较低，后者则与之相对，密度较高、热稳定性较差（相对容易热失控）、耐低温、寿命较短、成本较高 —— 因此车厂们和电池厂会依据自身产品定位的取舍来选择电池类型。

磷酸铁锂和三元锂电池是如今锂电池的缩影，而另一方面液态锂离子能量密度已经贴近技术天花的 300Wh/kg 左右（实际密度更是低于这个值），而下一步掺硅等方法改进的传统锂电池，只能将理论天花板捅到 400Wh/kg 左右。

▲ 传统三元锂电池针刺实验截图（极易热失控）

前面提到的安全问题，可以说是如今「液态」锂离子电池的痛 —— 在过充、电解质活性低等情况下，锂离子若无法及时嵌入到石墨负极时，会在负极表面形成金属锂枝晶，一来会损失锂离子，降低电池的容量，二来形成的金属锂枝晶可能会有刺穿阴阳极之间的隔膜，造成短路的风险，电池内部一旦短路，很有可能引起热失控，引起自燃。

而固态电池，理论上能解决液态锂电池的这两个问题。

▲ 三元锂固态电池针刺实验截图（不易产生热失控）

首先固态电池的内部结构简单，普通电池液态的有机电解液含有易燃的溶剂，固态电池的固态电解质则不需要，直接去掉了易燃的隐患，阴阳极之间就不需要额外的隔膜结构，即使电池遭到破坏，也不易发生自燃 —— 将锂电池的安全性提升到另一个次元。

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