不爱“着火”的固态电池，可能要火了~

但是锂电池有一个天生的弱点，大家心里都有数，那就是“容易着火”。这是因为锂电池内部使用的是易燃的液态电解质材料，在加工、运输、使用中稍有不慎，就可能引发电解质泄露和着火。因此锂电池在使用中需要特别的“呵护”，要时刻监测其电流、电压、压力、温度等参数，防患于未然。

即便如此，锂电池着火的新闻还是经常见诸报端，前不久特斯拉的一个储能站就着了。科技界的“顶流”公司尚且如此，其他人在面对锂电池的时候，还真得有一种“如履薄冰”的清醒意识。

不过今年以来，有一个名字被提及的频次明显增高，这就是“固态电池”。对于固态电池最通俗的理解就是，使用更安全的固体电解质，替代传统锂离子电池中危险的电解液和隔膜，没有电解液可漏了，热失控风险自然大大降低，电池安全性也就随之提高了。

图1：传统锂电池和固态锂电池的对比（图源：TDK）

而且，除了降低热失控风险，固态电池还能带来一个好处——实现更高的能量密度。传统的锂电池由正负极材料、电解液和隔膜组成，其中正负极材料决定了电池的容量，电解液及隔膜作为传输锂离子的介质。由于固态电池电化学窗口可达5V以上，明显高于液态锂电池的4.2V，因此允许匹配高能正极和金属锂负极，理论上可以大幅提升能量密度。加之固态电池可以简化冷却系统，采用更简化的封装，这让进一步减少单位空间内的电池重量成为可能，所以比较乐观的估计，固态电池的能量密度可以达到500Wh/kg。

正是因为具有上述这些突出的优势，近年来围绕固态电池的研究和研发十分活跃，各个国家和地区也都将其纳入到中长期的科技规划之中。综合各家规划的时间表，2010-2025年将是锂电池结构“由液变固”的转变期，2030年左右将实现全固态电池的商业化。按照Lux Research的预测，到2035年固态电池市占率有望达到25%左右。

对于固态电池，最感兴趣的当然是电动汽车行业，因为目前针对纯电动车最大的槽点还是在续航里程上。但是实际产品研发中，续航能力并非是衡量电动车动力电池的唯一指标，安全和成本也同样重要，这就使得电动汽车在电池技术的选择上充满了纠结。

目前电动汽车使用的动力电池主要包括三元锂电池和磷酸铁锂电池两种。其中，磷酸铁锂电池成本低、化学性质稳定、不易燃爆、使用寿命较长，但是能量密度和充电效率不如三元锂电池，且低温性能较差；而三元锂电池在能量密度和充电效率上有优势，但是由于添加了镍、钴、锰三种贵金属，成本较高，同时电池200℃左右会发生分解，高温状态下稳定性差，容易引发燃爆。可见，没有一个完美的方案，目前各种技术的进步，也不过是在这两种材料现有特性上“打补丁”。

除了要面对消费者挑剔的眼光，目前液态锂离子动力电池还面临着来自国家行业发展规划的压力。按照《中国制造2025》的蓝图，车载动力电池的能量密度要求在2020年达到300Wh/kg，在2025年和2030年要分别达到400Wh/kg和500Wh/kg，依托现有的液态锂电池技术是很难达标的，因此肯定要寻找新的技术路径。

因此，随着固态电池概念的升温，电动汽车行业明显“躁动”了起来。比如蔚来汽车在年初时就官宣推出了基于固态电池的150kWh电池包；宝马也宣布扩大与固态电池制造商Solid Power的联合开发协议，计划在2025年前推出应用固态电池的原型车，在2030年前将该技术应用于量产车型；大众也表示希望能够在2025年前形成完整的固态电池销售模式，开始向市场批量供货。

虽然有专家分析，目前上马的所谓“固态电池”只能算是基于现有技术上的过渡性产品，并非固态电池理想的终极形态，但此刻将这个概念拿出来说事儿，各大车企在固态电池上立flag的心切程度由此可见一斑。不过，考虑到汽车行业的特殊性，固态动力电池的导入无疑会是一个渐进的、漫长的过程，对此大家都应该有心理准备。

电动汽车领域的高门槛，并没有阻碍固态电池厂商的热情。在大块头的汽车动力电池市场之外，一些厂商也积极从小尺寸、小容量的固态电池身上寻找机会，希望先从消费和物联网市场撕开一个突破口。

早在2019年，村田就宣布基于自家多层陶瓷电容器和多层元器件的先进工艺技术和材料，开发出了采用氧化物陶瓷电解质的小体积、高能量密度的全固态电池，容量为2~25mAh，其具有出色的可靠性和安全性，即使在恶劣环境下也能发挥高性能，可以在无线耳机等可穿戴设备和物联网应用中施展拳脚。

图2：村田的全固态电池（图源：Murata）

从村田给出的固态电池产品路线图来看，未来电池的容量将位于1~100mAh这个区间，这应该是在可穿戴和物联网领域固态电池一个最优的平衡点。

图3：村田全固态电池产品定位（图源：Murata）

无独有偶，TDK也推出了CeraCharge^™固态SMD电池，并成功实现了商业化。CeraCharge^™是基于TDK多层陶瓷技术打造的，电压1.5V，电池容量100μAh，工作温度范围-20˚C至80˚C，适合搭载在各种环境下使用的IoT设备中。

图4：CeraCharge^™固态电池（图源：TDK）

对于CeraCharge^™固态电池，TDK给出的一个成功用例是CookPerfect公司出品的一个无线烹饪温度计，该产品配备有五个温度传感器、一个BLE通信模块、TDK的CeraCharge^™固态电池，只需将温度传感器探头插入食材（如烤肉），即可通过智能手机实时监测烤箱内食材的内部温度。外形小、没有泄漏风险、耐高温、电池容量足——这些特性使得CeraCharge^™成为此类应用中的不二之选。

图5：基于CeraCharge^™固态电池在无线烹饪温度计（图源：TDK）

像任何一个新技术一样，固态电池正处在一个市场导入期，从更容易上手的消费级应用开始，积累技术和经验以及现金流，再向动力电池等更高阶的应用场景渗透，这无疑是比较现实的路径。如果回忆一下当年锂电池的成长史，是不是也有一种似曾相识的感觉？

一旦不爱着火的固态电池，真正在市场上“火”起来，那么我们的能源消费方式也许就会走入一个新时代。