摘要：在当今全球倡导可持续发展的大背景下，能源存储技术的革新成为了推动各个领域进步的关键力量。电池技术作为能源存储的核心，其每一次重大突破都可能引发一场产业革命。全固态电池，作为新一代电池技术的代表，正逐渐崭露头角，有望颠覆现有的能源格局。它以其独特的优势，如更高的

全固态电池：从实验室走向市场的能源变革之路

1. 引言

在当今全球倡导可持续发展的大背景下，能源存储技术的革新成为了推动各个领域进步的关键力量。电池技术作为能源存储的核心，其每一次重大突破都可能引发一场产业革命。全固态电池，作为新一代电池技术的代表，正逐渐崭露头角，有望颠覆现有的能源格局。它以其独特的优势，如更高的能量密度、更好的安全性、更长的循环寿命等，成为了学术界、产业界以及政府部门共同关注的焦点。回顾全固态电池的发展历程，我们可以看到一条充满挑战与突破的创新之路，这不仅是技术不断演进的过程，更是全球各方力量共同推动能源转型的生动实践。

2. 早期探索：艰难起步（1972 - 1987 年）

2.1 首次尝试：1972 年第一块固体锂离子电池的研发

1972 年，SCROSATI B 迈出了具有开创性意义的一步，首次研发出一种采用 LiI 电解质的固体锂离子电池。这一尝试犹如在黑暗中点亮了一盏明灯，为后续全固态电池的发展奠定了基础。在当时，传统的液态电解质电池已经在市场上占据了一定份额，但它们存在着诸如易泄漏、安全性差等问题。固体锂离子电池的出现，为解决这些问题提供了新的思路。然而，理想很丰满，现实却很骨感。由于当时的技术水平有限，固态电解质面临着低离子电导率和界面稳定性等严重问题。离子电导率低意味着电池内部离子传输速度缓慢，这直接导致电池的充放电性能不佳，无法满足实际应用的需求。而界面稳定性问题则使得电池在充放电过程中，电极与电解质之间的界面容易发生变化，进一步影响电池的性能和寿命。这些技术障碍犹如一道道难以逾越的鸿沟，使得这款电池虽然在实验室中诞生，却未能成功实现商业化，只能暂时停留在科研人员的实验记录中。

2.2 日本的突破：1983 年可实用的薄膜锂全固态电池的开发

1983 年，日本东芝公司在全固态电池领域取得了重要进展，宣布开发出一款可实用的 Li/TiS₂薄膜全固态电池。这款电池采用二硫化钛（TiS₂）作为阴极材料，锂金属作为阳极，并大胆地使用固态电解质替代了传统的液态电解质。TiS₂具有独特的晶体结构，能够容纳锂离子的嵌入和脱出，为电池的充放电提供了稳定的反应位点。锂金属作为阳极，具有极高的理论比容量，能够为电池提供强大的能量输出。固态电解质的使用则在一定程度上解决了液态电解质的泄漏问题，提高了电池的安全性。这款薄膜全固态电池的出现，让人们看到了全固态电池从实验室走向实用化的希望。它的成功开发，不仅是东芝公司技术实力的体现，也为全球全固态电池的研究提供了宝贵的经验和借鉴。

2.3 中国的布局：1987 年固态电池列为第一个 “863” 计划重大专题

1987 年，中国科技部敏锐地捕捉到了固态电池的巨大潜力，将固态电池列为第一个 “863” 计划重大专题。“863” 计划作为中国高技术研究发展计划，旨在提高我国自主创新能力，推动高技术产业发展。固态电池被纳入其中，充分显示了中国政府对这一前沿技术的高度重视。在 “863” 计划项目的大力支持下，科研人员们积极投身于固态电池的研究工作。1988 年，我国成功研制出由 LiV₃O₈正极和金属锂负极构成的全固态锂电池。这一成果标志着我国在全固态电池领域取得了重要突破，为后续的研究和发展奠定了坚实的基础。通过 “863” 计划的实施，我国不仅培养了一批专业的科研人才，还建立了较为完善的研究体系，为全固态电池技术的持续创新提供了有力保障。

3. 技术积累与突破：稳步前行（1992 - 2010 年）

3.1 美国的创新：1992 年 LiPON 固态电解质的研发突破

1992 年，美国橡树岭国家实验室的 Bates 研究团队取得了一项具有里程碑意义的成果，成功研制出一种新型固态电解质 —— 氮化锂磷氧（LiPON），并在此基础上研制出多种材料体系的薄膜全固态电池。LiPON 材料的出现，犹如一把钥匙，打开了全固态电池发展的新局面。它以其高稳定性和适宜的锂离子导电性，成为了薄膜锂离子电池的关键技术之一。与传统的固态电解质相比，LiPON 能够有效避免液态电解质的泄漏问题，这在一些对安全性要求极高的应用场景中具有重要意义。同时，LiPON 在极端条件下，如高温、低温、高湿度等环境中，依然能够保持良好的性能，这大大拓宽了电池的应用范围。例如，在航空航天领域，电池需要在复杂多变的环境中稳定工作，LiPON 基电池就展现出了巨大的优势。LiPON 的成功研发，不仅推动了薄膜全固态电池的发展，也为其他类型固态电解质的研究提供了新的思路和方法。

3.2 日本的持续探索：2005 年钙钛矿结构固态电解质的发明

2005 年，日本东京都立大学 Kanamura 教授团队开始了一场新的探索，尝试设计以钙钛矿结构 Li - La - Ti - O 材料为电解质的全固态电池。钙钛矿型电解质具有一系列令人瞩目的优点，如晶粒导电性高、离子传输速率高、电阻率低、化学稳定性好等。这些优点使得钙钛矿型电解质成为了一种理想的固态电解质产品。在全固态电池中，电解质的主要作用是传导离子，实现电池内部的电荷传输。钙钛矿结构的独特之处在于其晶体结构中存在着丰富的离子传导通道，能够让锂离子快速、高效地通过。同时，其良好的化学稳定性能够保证在电池充放电过程中，电解质不会与电极材料发生化学反应，从而保证电池的性能和寿命。Kanamura 教授团队的这一发明，为全固态电池的发展注入了新的活力，引发了全球科研人员对钙钛矿型电解质的广泛研究和关注。

3.3 新兴结构的研究：2010 年石榴石结构固态电解质的发明

基于石榴石结构固态电解质的全固态锂电池研究始于 2010 年。石榴石结构固态电解质是一种具有三维空间结构的无机固体电解质材料，其化学组成主要包括 A 位和 B 位金属元素。A 位通常由镧系元素如镧（La）、钇（Y）等占据，B 位则由锆（Zr）、铌（Nb）等四价或五价金属元素占据。这种独特的化学组成和晶体结构赋予了石榴石结构固态电解质诸多优点。首先，它具有高离子电导率，能够满足电池快速充放电的需求。其次，它拥有宽电化学窗口，这意味着电池在充放电过程中能够承受更大的电压范围，提高了电池的能量密度。此外，其高化学稳定性和热稳定性使得电池在不同的环境条件下都能稳定工作。例如，在电动汽车中，电池需要在各种温度条件下保持良好的性能，石榴石结构固态电解质就能够很好地适应这一要求。石榴石结构固态电解质的发明，为全固态电池的发展开辟了新的方向，吸引了众多科研机构和企业投入到相关研究和开发中。

4. 商业化探索与加速发展：曙光初现（2011 - 2018 年）

4.1 硫化物固态电解质的突破与应用尝试：2011 年硫化物固态电解质的发明及电动汽车应用

2011 年，日本东京工业大学 Kanno 教授团队发明了硫化物固态电解质，这一发明在全固态电池领域引起了轰动。随后，Kanno 教授团队不断努力，将离子电导率提升至 25 mS/cm，到 2023 年更是最高达到 32 mS/cm。高离子电导率是硫化物固态电解质的一大显著优势，这使得电池能够实现更快的充放电速度。同年，日本本田公司 Kamaya 研究员团队展示了第一个固体电解质（LAGP），其能够在室温下实现超过液体电解质对应物的体积离子电导率。这一成果进一步证明了硫化物固态电解质的潜力。在商业化应用方面，2011 年法国最大的电动汽车项目运营商博洛雷集团迈出了重要一步，正式推出了 “Autolib” 乘用车。博洛雷集团以聚合物为固态电解质，以锂金属为负极，制备全固态电池作为供能装置，并批量生产了 250 辆电动车。然而，这款电动汽车在实际应用中暴露出一些问题，如仅装配 30 度电，续航约为 250 km，还需将电池运行环境温度维持在 60℃左右。这些问题虽然限制了其市场推广，但却为后续的技术改进提供了方向。

4.2 中美布局：2012 年中国和美国开始布局固态电池

2012 年，中国和美国这两个全球科技和经济大国，不约而同地开始在固态电池领域进行战略布局。中国科技部将固态储能锂电池列入 “十二五” 的 “863” 计划进行支持，这再次彰显了中国对固态电池技术的重视。通过 “863” 计划的持续投入，中国在固态电池的基础研究、关键材料研发、电池制备工艺等方面取得了一系列重要成果。同年，美国苹果公司开始布局固态电池应用研发。苹果公司作为全球科技行业的领军企业，其对固态电池的关注引发了行业内的广泛关注。苹果公司凭借其强大的研发实力和市场影响力，积极投入资源进行固态电池技术的研究和开发，旨在为其未来的产品提供更强大、更安全的能源解决方案。中美两国的布局，标志着固态电池开始从科研领域逐渐走向商业化应用的快车道。

4.3 巨头合作：2014 年丰田与松下合作加速研发

2014 年，丰田与松下公司宣布合作，致力于开发用于电动汽车的全固态电池，并计划在 2020 年前推出样品。丰田作为全球知名的汽车制造商，在汽车设计、制造和市场推广方面具有丰富的经验和强大的实力。松下公司则在电池技术领域拥有深厚的技术积累和先进的生产工艺。两家公司的合作可谓强强联合，优势互补。该项目旨在解决锂电池的能量密度和安全性问题，使得电动汽车能够拥有更长的续航里程和更短的充电时间。随着全球对电动汽车需求的不断增长，电池的性能成为了制约电动汽车发展的关键因素。丰田和松下的合作，为全固态电池在电动汽车领域的应用带来了新的希望，也推动了整个行业对全固态电池技术的研发热情。

4.4 产业化加速：2016 - 2018 年固态电池产业化加速

2016 年，全球主要汽车制造商如宝马、戴姆勒等开始与电池生产商紧密合作，加速推进全固态电池的研发。这些公司敏锐地意识到，全固态电池具有更高的能量密度和安全性，对于未来电动汽车的发展至关重要。更高的能量密度意味着电动汽车可以在相同的电池体积或重量下，拥有更长的续航里程，这将大大提高电动汽车的市场竞争力。更好的安全性则能够消除消费者对电动汽车安全隐患的担忧，促进电动汽车的普及。与此同时，国内企业如比亚迪和宁德时代也积极与国际公司合作，推动全固态电池技术的进步。比亚迪作为中国新能源汽车的领军企业，在电池技术和汽车制造方面都具有强大的实力。宁德时代则是全球领先的动力电池制造商，其在电池研发和生产方面的技术优势明显。这些企业的积极参与，使得全固态电池的产业化进程得到了极大的加速。

2017 年，多国宣布其全固态电池的研发已经或即将取得新进展。宝马与 SolidPower 公司展开合作，致力于推进全固态电池在高性能纯电动汽车上的应用。宝马作为豪华汽车品牌，对汽车性能和品质有着极高的要求，全固态电池的优势正好符合其未来产品发展的需求。日本日立宣布，其全固态电池技术已研发完成，并开始送样潜在客户，这标志着日立的全固态电池技术已经达到了一定的成熟度，开始向市场推广。锂电池发明人 John Goodenough 提出了玻璃状介质技术，为全固态电池商业化、量产化做准备。John Goodenough 作为电池领域的传奇人物，他的研究成果一直引领着电池技术的发展方向。同年，中国工信部发布了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》，提出到 2025 年，推动固态电池单体比能量达到 500Wh/kg。这一政策的出台，为中国全固态电池的发展设定了明确的目标，也为企业和科研机构提供了政策支持和发展动力。

2018 年，大众汽车宣布对美国初创公司 Quantum Scape 投资 1 亿美元，旨在加速其全固态电池技术的研发。Quantum Scape 由斯坦福大学的研究人员创立，专注于开发能够在电动汽车中广泛应用的固态电池技术。大众汽车的投资不仅为 Quantum Scape 提供了充足的资金支持，也借助大众在汽车行业的影响力，推动了 Quantum Scape 技术的发展和市场推广。同年 11 月，清华大学南策文教授团队在昆山开发区成立的清陶能源成功建成了中国首条固态锂电池的量产线，实现了固态锂电池技术从高校实验室到市场化、产业化的艰难转变。清陶能源的量产线建设，标志着中国在全固态电池产业化方面取得了重大突破，为中国全固态电池产业的发展树立了榜样。

5. 成熟与商业化推进：迈向大规模应用（2019 年至今）

5.1 国家战略推动：2020 年固态电池发展上升为国家战略

2020 年 11 月，中国国务院办公厅印发了《新能源汽车产业发展规划（2021 - 2035 年）》，明确指出要加快固态动力电池技术研发及产业化，首次将固态电池发展上升到国家战略层面。这一举措充分体现了中国政府对新能源汽车产业的高度重视，以及对全固态电池技术在推动新能源汽车产业发展中重要作用的深刻认识。国家战略的推动，为全固态电池的发展提供了前所未有的机遇。政府通过政策引导、资金支持、产业规划等多种手段，鼓励企业加大研发投入，促进产学研合作，推动全固态电池技术的快速发展和产业化应用。在国家战略的指引下，中国的全固态电池产业迎来了新的发展高潮，众多企业纷纷加大在这一领域的布局，科研机构也加快了技术创新的步伐。

5.2 技术持续突破：2020 - 2021 年全固态电池技术重大进展

2020 年，Bollore 与奔驰联合进行搭载 44 kWh 金属锂聚合物电池的公共汽车研发。公共汽车作为城市交通的重要组成部分，对电池的能量密度和安全性要求极高。全固态电池在这方面的优势使得其成为公共汽车动力源的理想选择。Quantum Space 宣布将于 2026 年开发出有 20 GWh 产能的固态电池生产线，这一消息展示了 Quantum Space 在固态电池产业化方面的宏伟目标和坚定决心。丰田也宣布计划于 2025 年推出基于全固态电池的电动汽车，这标志着丰田在全固态电池技术研发方面取得了重要进展，全固态电池技术进入了更为成熟的阶段。丰田作为全球汽车行业的领导者，其在全固态电池领域的布局和进展，将对整个行业产生深远的影响。

2021 年，美国哈佛大学 Ye 和 Li 使用 “三明治” 结构的固态电解质制备出在 20C 倍率下循环寿命高达 10000 圈的全固态纽扣电池。这一成果在全固态电池领域引起了广泛关注，高倍率充放电和长循环寿命是电池性能的重要指标，该研究成果为全固态电池在高性能应用场景中的应用提供了可能。Quantum Scape 公司发布了单层全固态锂金属电池，此电池支持快充及低温环境使用。在电动汽车应用中，快充和低温性能是消费者关注的重点问题，Quantum Scape 的这一成果有望解决这些痛点。日本三井金属宣布建成年产十吨级的硫化物固态电解质材料生产线，这是世界上第一条硫化物固态电解质材料的吨级生产线。生产线的建成标志着硫化物固态电解质材料的生产开始向大规模、工业化方向发展。本田宣布固态电池将于 2030 年实现商业化量产，这一消息显示了本田在全固态电池技术研发和产业化方面的坚定信心。中国科学技术大学研发出的新材料氯化锆锂，突破了锂电池固态电解质材料生产成本和综合性能难以兼得的重大瓶颈。这一突破为全固态电池的大规模应用提供了有力支持，降低成本是推动全固态电池商业化的关键因素之一。哈佛大学研究团队在 Nature 上发表的论文表示新型固态电池可重复使用 1 万次，充电速度最快达 3 分钟，这标志着固态电池的寿命和充电速度完成了历史性飞跃。这些技术突破，为全固态电池的商业化应用奠定了坚实的基础。

5.3 商业化加速：2022 - 2023 年全固态电池接近商用化与量产

2022 年，Solid Power 完成硫化物基全固态电池试生产线安装，年产能达 15000 个电池。试生产线的安装是全固态电池商业化进程中的重要一步，它为后续的大规模生产提供了技术和工艺验证。Quantum Scape 发布了其第二代全固态电池原型，表现出比传统锂离子电池更高的能量密度和更长的使用寿命，预计将在未来几年内进入量产阶段。第二代电池原型的发布，展示了 Quantum Scape 在技术研发方面的持续进步，也让人们对全固态电池的未来充满期待。同年，韩国三星宣布开始建设世界第一条全固态电池生产线，浦项配套建设年产能 24 吨级的硫化物材料生产线。三星作为全球电子行业的巨头，其进入全固态电池领域将进一步推动全固态电池技术的发展和产业化进程。卫蓝新储源科技有限公司宣布进行 20 GWh 生产线构建，并在未来扩产至 100 GWh。这些企业的行动表明，全固态电池正逐渐从实验室

迈向大规模商业化生产的轨道。众多企业纷纷布局生产线，预示着全固态电池即将迎来市场的大规模应用。

2023 年 11 月，Solid Power 向宝马交付了第一批 A 样，固态电池正式进入装车验证阶段。这一里程碑事件标志着全固态电池从研发到实际应用迈出了关键一步。宝马作为全球知名的汽车制造商，对汽车零部件的质量和性能有着严苛的要求。Solid Power 能够向宝马交付 A 样，说明其产品在性能、安全性等多方面已经达到了一定的标准，具备了进一步在实际车辆中进行测试和优化的条件。通过装车验证，将进一步检验全固态电池在复杂的汽车运行环境中的可靠性和稳定性，为后续的大规模商业化应用提供宝贵的数据和实践经验。

2023 年，丰田与日本的出光兴产公司合作，计划在 2027 年开始大规模生产全固态电池，目标是实现电动汽车 1200 公里续航和 10 分钟充电时间。丰田一直以来在汽车技术研发领域处于领先地位，此次与出光兴产合作，整合双方在电池技术和化工材料方面的优势，致力于攻克全固态电池大规模生产的技术难题，并提升电池性能。1200 公里的续航里程将极大地缓解消费者的里程焦虑，而 10 分钟的充电时间则有望使电动汽车的充电体验接近甚至超越传统燃油车加油的便捷性，这将对电动汽车市场产生革命性的影响。

全固态电池市场在 2023 年达到了 4.9 亿美元，预计到 2027 年将超过 24 亿美元。这一数据充分显示了市场对全固态电池的巨大潜力和增长预期。随着技术的不断成熟、生产成本的逐渐降低以及市场需求的日益增长，全固态电池正吸引越来越多的投资和关注。众多企业纷纷加大在全固态电池领域的研发和生产投入，希望在这个新兴的市场中抢占先机。从材料供应商、电池制造商到汽车厂商，整个产业链都在为全固态电池的商业化应用积极布局，形成了一个庞大而充满活力的产业生态系统。

5.4 整车应用与市场拓展：2024 年及未来展望

2024 年，Solid Power 完成 B 样和 C 样开发。B 样和 C 样的开发是产品不断优化和完善的重要阶段。相比于 A 样，B 样在设计、性能等方面会进行进一步的改进和优化，以更好地满足汽车制造商的需求。而 C 样则更加接近最终的量产产品，在工艺稳定性、质量一致性等方面会进行严格的把控和验证。通过完成 B 样和 C 样开发，Solid Power 向实现大规模量产又迈进了坚实的一步，为宝马等汽车制造商提供了更多选择和更可靠的产品方案。

2024 年初，大众 PowerCo 证实 Quantum Scape 的固态电池充放电 1000 次仍保持 95% 的容量。这一优异的性能表现再次证明了全固态电池在循环寿命方面的巨大优势。在传统锂离子电池中，经过多次充放电循环后，电池容量会逐渐衰减，这限制了电池的使用寿命和电动汽车的长期使用价值。而 Quantum Scape 的固态电池能够在 1000 次充放电后仍保持高容量，这将大大提高电动汽车的使用经济性和环保性，减少电池更换的频率和成本，进一步增强了全固态电池在市场上的竞争力。

2024 年，上汽集团超级智能轿车智己 L6 搭载行业首个量产上车的超快充固态电池 1.0。这一举措使智己 L6 在众多电动汽车中脱颖而出，成为全固态电池在整车应用领域的先锋。超快充固态电池 1.0 的应用，为消费者带来了全新的驾驶体验。快速充电功能极大地缩短了充电时间，提高了电动汽车的使用便利性，使电动汽车更加适合长途出行和日常使用。同时，这也标志着全固态电池开始真正走进消费者的生活，推动了全固态电池技术在民用汽车市场的普及。

展望未来，全固态电池有望在更多领域实现应用拓展。在航空航天领域，由于对电池能量密度、安全性和轻量化要求极高，全固态电池的优势将得到充分发挥。它可以为无人机、卫星等设备提供更强大、更可靠的能源支持，延长设备的运行时间和使用寿命。在储能领域，随着可再生能源的快速发展，对高效储能设备的需求日益增长。全固态电池凭借其高能量密度和长循环寿命，能够更好地实现电能的存储和释放，助力可再生能源的稳定并网和高效利用，促进能源结构的优化和转型。

然而，全固态电池要实现全面商业化和大规模应用，仍面临一些挑战。首先，生产成本仍然较高，需要进一步优化材料制备工艺、生产流程以及供应链管理，以降低成本，提高性价比。其次，虽然全固态电池在实验室中表现出优异的性能，但在实际应用环境中，还需要进一步验证其长期稳定性和可靠性，特别是在不同的温度、湿度等极端条件下的性能表现。此外，相关的行业标准和规范还需要进一步完善，以确保全固态电池产品的质量和安全性，促进市场的健康发展。

尽管面临挑战，但全固态电池的发展前景依然十分广阔。随着全球各方在技术研发、产业发展和政策支持等方面的持续努力，全固态电池必将逐步克服技术障碍，实现成本降低和性能提升，成为未来能源存储领域的主流技术，为全球可持续发展做出重要贡献。在这场能源变革的浪潮中，全固态电池将引领我们迈向一个更加高效、清洁、便捷的能源新时代。

来源：赛诺氧化锆珠