为何人人都想造固态电池？

# 为什么所有人都在试图制造固态电池？ 来源：https://www.construction-physics.com/p/why-is-everyone-trying-to-build-a 一种备受关注的电池技术是固态电池——用固态材料替代液态电解质的锂离子电池。仅中国电池制造商宁德时代一家，截至2024年就有超过1000人（https://cnevpost.com/2024/11/06/catl-solid-state-batteries-begin-sample-validation-report/）致力于固态电池研究，而比亚迪（https://electrek.co/2026/06/01/byd-all-solid-state-batteries-evs-by-2027/）、LG（https://blog.lgchem.com/en/2026/03/25_solid_state_battery/）和三星（https://www.samsungsdi.com/sdi-now/sdi-news/4782.html）等电池制造商也在开发这项技术。截至2025年，美国和欧洲的固态电池初创公司已总共筹集超过40亿美元（https://www.electronicsweekly.com/news/business/solid-state-ev-battery-start-ups-in-sample-mode-2025-03/）。 固态电池相比我们目前使用的液态电解质锂离子电池具有多项潜在优势。首先，用固态材料替代液态电解质有望实现更轻的电池，每单位能量所需的电池质量更小。此外，由于目前电池中使用的液态电解质是易燃的，用固态材料替代可以使电池更安全，不易引发火灾。 我想更深入地理解固态电池相比传统锂离子电池究竟为何具有这些优势，以及它们是如何融入锂电池改进的大趋势中的。 电池通过化学反应提供能量。而化学反应，无论涉及何种化学物质，都通过相同的机制释放或吸收能量：一个或多个电子从一个势阱移动到另一个势阱。在释放能量的化学反应（放热反应）中，电子从高势阱移动到低势阱，在此过程中释放能量。 “势阱”这个概念相当抽象，所以我发现用重力来类比很有帮助。假设在高山顶上的一个浅槽里有一颗球，山脚处还有另一个浅槽。球受到向下的重力牵引，这赋予了它势能，势能的大小取决于球的质量和它到山脚的高度。山顶上的球本身不会移动，但如果你轻轻推它一下，让它离开浅槽，它就会滚下山坡，在此过程中释放势能。这个势能转化为动能（球的速度），进而通过摩擦转化为热能，使球减速，最终停在低处的浅槽中。 化学反应的工作方式与此类似。但代替重力的是来自电磁学的势能：带正电荷的原子核牵引带负电荷的电子。在放热反应中，原子从某个特定的“浅槽”开始，其电子处于某种特定的排列。但如果你给原子一点“踢动”（比如加热它们，使它们的碰撞更加剧烈），就可以将它们撞出原来的浅槽，让它们“滚下山坡”进入能量更低的状态，在此过程中转化它们的电势能。这些势能的一部分（实际上是一半，见维基百科（https://en.wikipedia.org/wiki/Virial_theorem））会用于增加电子的速度；其余部分则以振动（热）或光子的形式释放。 例如，假设你从一个甲烷分子（一个碳和四个氢，CH4）和两个氧分子（每个有两个氧原子，O2）开始。这些分子的电子最初处于特定排列，氧原子彼此成键，氢原子与碳成键。在室温下，O2和CH4基本上不会发生反应：每个分子都待在自己的势阱中，需要能量才能爬出来。但通过加热给它们一个“踢动”，它们就可以“滚下山坡”，经历一系列反应，最终进入能量更低的配置——氢原子和碳原子各自与氧结合，形成H2O和CO2。最终的电子配置处于更低的势阱中，大部分能量差以热的形式释放。 锂离子电池的工作原理自然是通过与锂的化学反应。当锂离子电池放电时，锂离子及其电子“滚下山坡”，从阳极（插入石墨片层之间，称为“插层”）的一种配置移动到阴极（插入另一种材料，如磷酸铁锂LiFePO4）的另一种能量更低的配置。电池的结构旨在捕获此反应的能量。锂离子可以从阳极进入电解质，但电子不能：它们必须绕道，通过连接阳极和阴极的金属导体。这个电子流就是电池产生的电流。（当电池充电时，情况相反：在导体上施加电压，迫使电子重新“上山”回到阳极，同时锂离子通过电解质流回以保持电荷平衡。）1（https://www.construction-physics.com/p/why-is-everyone-trying-to-build-a#footnote-1） [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!vKRJ!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F4e900154-ac91-4154-91fc-f48e8327a902_850x663.png)锂离子电池示意图，来源链接（https://www.researchgate.net/figure/The-principle-of-the-lithium-ion-battery-LiB-showing-the-intercalation-of-lithium-ions_fig1_344448023）。 锂是电池中备受青睐的选择，因为当与合适的反应物配对时，锂中逸出的电子比其他任何金属中的电子“下落”的距离都更长。锂也是一种非常轻的原子（原子质量约为7），加上这种大的“落差”，意味着锂反应能够产生大量的能量。按单位质量计算，锂反应释放的能量大致与燃烧汽油相当。 但既然如此，为什么锂离子电池的能量密度却远低于汽油呢？ [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!mjvP!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F2c0733f0-ac6b-4053-968f-81f5d5ae6eab_1143x704.png)各种电池和燃料的能量密度，来源维基百科（https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density）。 一个很大的原因是氧化剂。我们依赖其获取能量的化学反应通常需要一个“下山”的目的地供电子到达，这个目的地称为氧化剂。燃烧汽油时，氧化剂是周围空气中的氧气：在内燃机内部，燃油和空气混合后点燃，触发化学反应——爆炸——从而驱动发动机。换句话说，汽油车不需要携带氧化剂，因为环境中始终有氧气可用。 而锂离子电池就没那么幸运了。它们需要自行携带电子的目的地，即阴极。这比汽油车需要携带的质量多了很多。如果汽车需要自行携带氧化剂，每1千克汽油就需要大约3.5千克氧气。 更一般地说，为了将锂反应结构化，使其以电流的形式提取能量，需要大量的材料“脚手架”。在阳极，每个锂离子需要额外的六个碳原子，形成石墨片层供锂离子嵌入。阴极也需要类似的插层结构。除此之外还有电解质、隔膜、集流体等等的额外质量。截至2019年，电池中每克参与反应的锂需要大约70克支撑材料（不过这个数字此后可能有所下降）。 如果没有这些材料“脚手架”，反应仍然可以进行，但不会产生有用的结果。如果阴极和阳极之间存在直接通路，反应会几乎瞬间发生，产生大量热量并触发其他化学反应，从而破坏电池，但不会产生有用的电流。事实上，现代电池设计花费大量精力来防止这种失控反应发生。 当然，所有这些材料“脚手架”的好处在于，你可以反复使用相同的化学物质进行反应。现代锂离子电池的插层电极尤其擅长这一点；由于充放电时电极结构得以保持，锂离子电池可以在保持大部分容量（性能）的同时进行大量循环。而当你燃烧汽油时，实际上是在连续排放反应的产物（这当然正是我们想要摆脱化石燃料的首要原因——阻止排放的二氧化碳在大气中累积）。理论上，你可以通过某种锂基内燃机来抛弃锂离子电池的“脚手架”，但这会效果极差且运行成本极其高昂（不过有些人有兴趣使用空气中的氧气作为电池氧化剂，即锂空气电池（https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium%E2%80%93air_battery））。 固态电池的主要潜在优势在于大幅减少这些材料“脚手架”。 当前锂离子电池的一个棘手问题是枝晶。如上所述，在阳极，锂离子嵌入石墨片层之间。但阳极对锂离子的束缚非常松散，仅略优于金属锂。这很有用，因为离子可以轻松迁移进入电解质，从而使电池工作，但这是一把双刃剑：在适当条件下，本应在充电时进入阳极的锂离子可能会在阳极表面获得一个电子，形成树状的金属锂结构，称为枝晶，而不是嵌入石墨片层之间。如果枝晶刺穿阳极和阴极之间的隔膜，就会形成两者之间的直接通路，导致电池设计所要防止的失控反应发生。（这不会立即消耗电池中的所有锂——当电流流过枝晶时，枝晶发热，最终熔化并切断通路——但短暂反应产生的热量可能足以触发其他化学反应，导致热失控并破坏电池。）大量的电池研发投入都致力于防止这些枝晶的形成。 然而，如果液态电解质被某种固态材料替代，这些枝晶问题可能就不再是问题。2（https://www.construction-physics.com/p/why-is-everyone-trying-to-build-a#footnote-2）使用坚固的固态电解质，理论上枝晶无法穿透它，尽管对于当前的固态电解质来说，枝晶似乎仍能设法通过。如果消除了枝晶的风险，你就可以改用不同的阳极，完全舍弃石墨插层结构，使用纯金属锂作为阳极。3（https://www.construction-physics.com/p/why-is-everyone-trying-to-build-a#footnote-3）而且由于固态材料消除了易燃的电解质，由此产生的电池也可能更安全。 固态电池可能不会很快问世——宁德时代董事长将其技术就绪度评级为4级（满分9级，链接（https://electrek.co/2026/06/25/catl-solid-state-battery-level-4-2030/）），并指出商业可行性“尚未确立”。但电池“可能比今天的电池更安全、能量密度更高，最终甚至更便宜”（链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2425219121）的预期，正在推动世界各地的制造商努力实现这一目标。 *感谢Austin Vernon阅读本文草稿。所有错误均由本人承担。*