理学：今天我们聊固态电池

2025-11-04 16:05:50 理学中国

固态电池

2025年2月，奔驰 EQS 在德国斯图加特郊区完成了测试，它搭载了奔驰和美国初创公司 Factorial Energy 合作开发的 “Solstice” 固态电池系统，能量密度达到 450Wh/kg，满电状态下连续行驶 1087 公里后仍剩余 13%电量。---这就是世界上第一台装备固态电池汽车交出的答卷，由此揭开了固态电池落地的序幕：

10月，中国科学院多个研究团队先后在《自然杂志》和《先进材料杂志》中发表了全固态电池研究的最新进展。

10月，工信部提出关于固态电池的建议，强调要强化技术创新，重点布局全固态电池、金属空气电池等前沿技术，加速新技术的落地转化、产业化进程。

10月，国内锂电池企业在固态电池领域动作频频，欣旺达推出能量密度达 400Wh/kg 的新一代聚合物全固态电池，国轩高科则发布 350Wh/kg 的全固态金石电池并推进中试量产；同时，屹锂新能源全固态电池项目正式落地上海，国晟科技也通过增资方式加码固态电池产业链布局，行业产业化进程显著提速。

10月，比亚迪、奇瑞等车企密集公布固态电池车辆量产时间表，计划于2027年前后实现装车应用，推动新能源汽车续航突破1000公里大关。

或许就在不久以后

我们开着续航超过1000公里的电动车，无需规划充电桩；

拿着手机一月一充，不用担心出门没电；

穿戴智能设备不再受到续航限制，随时随地无感在线；

绿色能源的储能站，确保能源提供的经济与及时；

这些场景的背后，

都藏着全固态电池的力量。

什么是固态电池？

固态电池指使用固态电解质代替传统电解液的电池，按照固态电解质用量可分为半固态电池和全固态电池。通常我们将电池内液体含量10%作为区分半固态电池和液态电池的分界线，而全固态电池将完全使用固态电解质，液体含量将降为0%。

固态电池主要由正极、负极以及固态电解质组成，最本质区别是将液态电池的电解液与隔膜替换成固态电解质，实现不用或者少用隔膜及电解液。

为什么是固态电池？

SOLID

安全性高

不挥发不易燃的固态电解质相比有机电解液具有更高的安全性。

SOLID

温度适应性好

全固态电池可以在更宽的温度范围内工作，尤其是在较高的温度下。

SOLID

能量密度高

全固态电池有望解决金属锂负极的安全性问题（锂枝晶）。进而在目前商用锂电的石墨与硅碳负极基础上提高锂离子电池的能量密度。

SOLID

简化电芯、模组、系统设计

由于固态电解质不具备流动性，电池可以采用内部电芯串联的设计方式。于固态电解质不具有流动性，可以采用内部串。

上图可以点击放大

MiniFlex

理学 MiniFlex 台式 X 射线衍射仪是一款功能全面的粉末衍射分析仪器，可实现多维度检测分析，以及分子结构解析。

SmartLab

理学SmartLab全自动多功能衍射仪，始终以 “提升用户易用性” 为核心设计目标，实现了高可靠性硬件与智能化软件的深度融合。

理学XRD在固态电池研发中的应用

Li₇P₃S₁₁(LPS)是一种具有高导电性的硫化物固体电解质，很容易与空气中的水分发生反应。对于像这样的吸湿性样品，可以选配气密样品架使用X射线衍射仪(XRD)进行测量，从而避免材料在空气中吸潮。

图1：使用XRD生成的LPS衍射图

（样品由大阪公立大学Hayashi实验室提供）

结论

分析结果表明，使用气密样品架，LPS 的 XRD 图谱不受空气中水分的影响，在四天内没有任何变化。气密样品架是验证需要密闭的样品合成的理想工具。

理学气密样品架

硫化物固态电解质（LPS）的晶体结构与其锂离子电导率有关。然而，由于 LPS 在接近室温时结晶度较低，因此很难采用如 Rietveld 分析法等传统的方法进行结构分析。不过，采用对分布函数（PDF）分析法可以分析非结晶材料的局域原子结构。因此，PDF 分析与反向蒙特卡罗（RMC）方法相结合，用于研究 LPS 的无序晶体结构与不同温度下的电导率之间的关系。详情请参阅引用的论文。

图1:不同室温与保留时间下的 PDF 分析结果

(y轴:G (r)；x轴:原子间距离)

温度升高时，原子间距长距离侧峰清晰可见。由此可确定，此时材料正在发生结晶。

图2:采用RMC方法可以获得室温(298K)和523K 下的晶体结构

可确定锂的分布已从上图中圈出的局部结构扩展到玻璃态区域。

结论

采用 PDF 分析和 RMC 方法（该方法甚至可用于非晶体材料），可对每种晶态进行分析。

※ 引用论文：M. Yoshimoto, T. Kimura, A. Sakuda, C. Hotehama, Y. Shiramata, A. Hayashi, K. Omote, Solid State Ionics, 401（2023）, 116361（8pp）

自1951年创立以来，理学在X射线检测领域已深耕七十余载。凭借深厚的技术积淀与持续的创新突破，我们构建了覆盖电池产业全流程、全场景的X射线解决方案体系。如今,理学的专业技术与服务已赋能全球顶尖电池企业，从原材料分析到制程优化，从实验室研发到智能化生产，我们始终以精准可靠的检测技术为产业护航。未来，理学将继续以创新为驱动，致力于为全球客户提供更安全、更高效的解决方案，成为电池行业值得信赖的技术伙伴。