25000次循环寿命！北大科学家固态电池新突破，实现分钟级快充

显示全部楼层 · 2025-1-25 17:10:58

新型全固态锂硫电池”

作者｜刘雅杰
编辑｜秦章勇

兄弟们，马上春节假期，一个老生常谈的话题——电动车又变成“电动爹”了。

比如电车在高速组团趴窝、排队3小时还充不上15分钟…这些场景一出来，想必在座的各位电动车主们心态都要崩了。

为了撕掉“电动爹”标签，固态电池成了全村的希望，不过这条路远比想象中艰辛，全球范围内，最初信心满满的企业也纷纷跳票，固态电池上车的时间也一拖再拖。

就在最近，我国科学家在固态电池方面取得了新的突破。

北京大学的庞全全团队，开发了一种新型电解质材料，造出的新型全固态锂硫电池有望实现分钟级快充和万次循环充电，最新学术论文已经发表在了《Nature》上。

其技术路线实现了快速固固反应速率和高循环稳定性，为发展高比能、高安全、低成本的下一代动力电池，提供了一套新的技术方案。

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固态电池技术新突破

熟悉这种新型固态电解质材料前，我们先来了解一下液态电池、半固态电池和全固态电池的区别。

液态电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大主材组成。而半固态电池，顾名思义，就是介于液态电池和固态电池之间，带有少量液态电解质的电池。

全固态电池则是将液态电解质换成固态电解质的电池。相比于传统的液态电池，其安全性和能量密度都更高。理论上，固态电池的能量密度可以达到液态电池的10多倍，充电速度也能提高数十倍。

基于硫正极和锂负极的全固态锂硫电池具有高比能量，且其适中的电位不会导致固态电解质过度副反应，充电时不会释氧，有着更高的本征安全性。

然而，全固态锂硫电池中的固固硫转换反应，只能在固态电解质、活性材料和碳之间的三相边界发生，反应动力学缓慢，导致电池的速率性能和循环寿命较差。

为了解决这一挑战，庞全全团队设计合成了系列新型玻璃相硫化物LBPSI电解质材料，该类电解质用于锂硫电池中，不仅作为硫正极内部的超离子导体，而且本身含有氧化还原反应速度超快的碘，对硫的固固转化反应起到氧化还原介导的作用，从而激活原本难以进行的固态电解质、硫化锂两相界面反应，显著增加了活性位点的密度，实现快速固固硫反应动力学。

团队利用飞行时间二次离子质谱研究了电池中碘的氧化还原现象，证明了随着电池的充电，正极内部的碘单质和三碘阴离子物种显著增加，即氧化产物为碘单质和三碘阴离子。

在放电后，与充电状态相比，碘单质和三碘阴离子物种的数量减少，表明可逆的碘氧化还原行为。

基于这种氧化还原介导策略，全固态锂硫电池表现出超快的充电能力。电池在2C倍率下释放出1497 mAh g⁻¹的高比容量（以硫质量计算，下同）；即使以20C超高倍率充电时，其容量仍可达到784 mA h g⁻¹。

此外，原型电池在25 °C下，以5C倍率循环25000次后，仍具有80.2%的初始容量，具有绝佳的循环寿命。这种电池技术一旦落地，对新能源汽车、低空飞行汽车等都有着深远影响。

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固态电池都有哪些技术路线？

在去年9月举行的2024世界动力电池大会上，曾毓群就固态电池话题谈到，“全固态电池的技术成熟度用从1-9进行表示的话，9代表可以上车生产阶段，那么目前固态电池行业最高水平在4左右。”

为什么固态电池这么难？

按照电解质区分，固态电池共有聚合物、氧化物（薄膜或非薄膜）、硫化物等三大技术路线。

而目前来看，每一种技术路线都有软肋。

比如硫化物电解质空气稳定性差，当其暴露于空气中就会产生有毒气体，同时伴随着电解质结构的破坏和电化学性能的衰减，硫化物电解质的合成、储存、运输和后处理过程，都需要依赖惰性气体或干燥室。

聚合物电解质在室温条件下，离子电导率较低，使得聚合物固态电池充电需要在高温环境下完成，极大地限制了其商业化。

大多数氧化物电解质，则具有较宽的电化学稳定“窗口”和更好的氧化稳定性，但为了保证刚性氧化物电解质与阴极材料的界面良好接触，往往需要高温烧结，否则会导致严重的界面化学副反应。此外，有些氧化物电解质还存在锂枝晶生长问题。

虽说近两年来，金属卤化物电解质凭借不少优点，受到越来越多的关注，但这种材料对成本的投入要求特别高。

即便按照最普通的工艺，全固态电池的生产成本也远超普通的液态电池，比如锂硫化物的价格就是碳酸锂的5到10倍。

除此之外，固态电池对生产环境与原材料纯度的要求也很高，导致企业投资建设生产基地动辄需要上百亿元。这也意味着，企业想要达到回本盈利的目标周期变长。

而且在固态电池的生产流程中，电解质成膜工艺是关键一步。如果固体电解质膜过厚会降低全固态电池的质量能量密度和体积能量密度，同时也会提高电池的内阻。相反，电池的性能则会变差，还可能引起短路。

还有一种情况就是，生产成本高，产品价格也会水涨船高。在卷上加卷的新能源汽车行业，车卖得贵，等同于叫板价格战，和市场反着干。

为了先自保，很多企业选择分散风险，等盈利稳定或形成规模化生产之后，再考虑进军全固态电池的圈子。

孚能科技的规划，就是固态电池预计首先应用在低空经济、高端电摩、高端船舶等对于价格相对不敏感的领域，未来随着成本进一步下降，再把全固态电池放在高端乘用车领域量产应用。

为了不让鸡蛋在同一个篮子里打翻，宁德时代还研究出了钠离子电池。虽然不是固态电池，但是这个钠离子电池的性能也很强。宁德时代内部声称，钠离子电池未来可能取代超一半的磷酸铁锂电池市场份额。

03

量产时间集中在2027年

固态电池技术日拱一卒，落地也并非遥不可及。

先来看国内，国家层面给出了真金白银支持固态电池发展，其中上汽宣布将从2026年开始量产能量密度为400Wh/kg的全固态电池，2027年实现装车量交付。

一汽则表示20Ah全固态样品电芯已经开发完毕，电芯能量密度可到375Wh/Kg，2027年小规模示范性量产。吉利自研的全固态电池能量密度达400Wh/kg，并完成了20Ah电芯的制备。

除此之外，奇瑞自研的固态电池，能量密度超600Wh/kg。充电5分钟可增加续驶里程400公里，纯电续驶里程超过1500公里，其全固态电池2026年投入定向运营，2027年批量上市。

广汽目标在2026年完成全固态电池开发，目前能量密度超过350Wh/kg，150周循环后电池容量保持在90％以上。长安计划在2025年实现20Ah全固态样品，能量密度350Wh/Kg，于2027年实现电芯容量60Ah，能量密度400Wh/Kg以上，并开始装车验证，2030年实现量产装车。

东风汽车也在去年9月透露，公司即将量产能量密度350Wh/kg的固态电池产品，并将加速自研能量密度突破550Wh/kg的下一代全固态电池。

此外，宁德时代、清陶能源、孚能科技、欣旺达等供应链企业也在大力布局全固态电池。

清陶能源与上汽成立了合资公司上汽清陶，目前首条全固态电池产线已经立项，计划2025年年底完工。

去年12月，孚能科技在一次投资者活动中介绍道，公司正在开发一款基于氧化物/聚合物复合体系的全固态电池，采用锂金属负极和高镍正极，能量密度可达500Wh/kg，电池工作压力较低。电池计划在2025年进行放大验证，“全固态电池有望在2027年实现小批量量产装车。”

华为也在去年11月公布了一项硫化物固态电解质新专利，即“掺杂硫化物材料及其制备方法、锂离子电池”。该专利解决了金属锂负极与硫化物电解质界面的副反应问题，使得锂离子电池具有较长的使用寿命。

国内一片形势大好，国外企业也不甘落后。

近日，本田首次公开了全固态电池量产示范生产线，计划于2025年1月开始试生产，并在今后几年销售的新车中搭载全固态电池，从而使电动汽车的续驶里程增加2倍。

丰田汽车研发的高性能全固态电池仅需10分钟即可充满，续驶里程有望超过1200公里。已获得日本经济产业省的认定，将于2026年进行量产；现代将在2025年1月开始生产全固态电池。

除本田、丰田、现代，日产、三星SDI等日韩企业的全固态电池也进入了试制阶段。

欧美车企也在积极布局这一领域，梅赛德斯-奔驰和Stellantis集团投资的美国固态电池初创企业Factorial，近期也推出了全固态电池样品，能量密度达450Wh/kg。

值得注意的是，不同于国内外新能源汽车的发展差异，国内外企业发布的全固态电池量产时间表相差不大，大多在2026-2030年之间。

从这个时间表我们还能得到一个信息，接下来的五年大概率就是固态电池的井喷期，新车是否装载固态电池，也将成为左右销量的关键，这也意味着，汽车行业将迎来一次大变动，新能源汽车的排位赛很有可能会再次打响。

参考链接：
http://www.mse.pku.edu.cn/info/1174/3752.htm
https://mp.weixin.qq.com/s/KyWwi-hlmIdwASnXzF_tzg