我一直很好奇，固态电池与锂电池究竟有哪些区别呢？为什么总有人断言固态电池能够全面取代锂电池呢？接下来，我们先深入了解一下锂电池。 锂电池主要由正极、负极以及隔膜构成，并且在正负极与隔膜之间充满了电解液。其正极材料通常是含有锂的化合物，比如常见的三元锂、磷酸铁锂等。由于锂是一种极为活泼的金属，在充电过程中，锂离子会在电荷的吸引下从正极向负极迁移。而锂电池的负极一般由石墨组成，石墨原子呈一层一层整齐排列的状态。每 6 个石墨原子能够固定住一个锂离子，当石墨原子之间的空隙全部被锂离子填满时，电池也就完成了充电过程。 为了加快锂离子的迁移速度，人们用电解质和有机溶剂调配出了电解液。然而，这种电解液具有易燃且易挥发的特性。一旦电池的正负极意外接触，活泼的锂离子就会发生剧烈的化学反应，倘若此时再与电解液接触，很可能引发起火甚至爆炸的严重后果。为了避免这种情况的发生，工程师们在电池中放置了一块不导电的半透膜，它不仅能够阻止正负极直接接触，还具有特殊的选择性，只允许锂离子通过，而电子则只能通过电池外部的线路流动，这样就形成了电流。 电池的放电过程原理与充电过程类似。放电时，锂离子在电解液内部穿透隔膜向正极移动，电子则通过外部电路为发动机供电。锂电池正是通过这种化学反应，让锂离子在正负极之间来回移动，从而实现了电池的充放电功能。 不过，锂电池的这种结构存在一些明显的问题。其一，电解液易燃易挥发，一旦发生泄漏，将会带来极大的安全隐患。特别是在充电过程中，锂离子在负极容易形成结晶，并且结晶会不断生长，一旦生长到一定程度，就可能戳破隔膜，导致电池短路，进而引发电解液起火。其二，电解液在电池中占据了较大的体积，这在一定程度上限制了电池能量密度的提升。其三，在低温环境下，电解液会变得更加粘稠，锂离子在其中的活动会变得非常困难，就如同在果冻中难以游泳一样。这就导致电池在低温下的电量消耗特别快。为了解决这一问题，电动汽车不得不配备专门的温度管理系统。可以说，锂电池的这些问题大多是由电解液引起的。 鉴于锂电池存在的这些问题，工程师们自然而然地想到将电解液替换为固体材料。但要找到一种合适的固体材料，使得锂离子能够在其中自由移动并非易事。经过不断的研究和探索，工程师们发现，将含锂的硫化物在高温下处理成玻璃态，冷却后就能形成专供锂离子通过的通道。这种硫化物电解质的电导率很高，已经接近传统的电解液水平。类似地，人们还发明了氧化物和聚合物电解质。 更换电解质后，固态电池的安全性得到了显著提高，电池不容易发生短路，能够承受更高的电压。通过升级正负极材料，电池的充电速度也能够大幅提升。于是，工程师们决定采用金属锂作为负极材料，金属锂容纳锂离子的能力相当于石墨的 10 倍。为了使锂离子分布更加均匀，还会在金属锂负极上镀上一层银碳层。同时，将正极更换为效率更高的高镍三元材料。 固态电池的这些改进，首先解决了锂电池易燃的安全问题，并且不容易产生结晶。即便产生了结晶，正负极也不会接触。即使隔膜被戳破，电池也不容易起火。此外，固态电池还有一些额外的优势。由于固态电解质的体积比电解液小，锂离子在电池内部移动的距离缩短，使得电池的充电效率更高。而且，在相同的空间内，车辆能够安装两倍数量的电池，这使得电动汽车的续航里程有望突破 1100 公里。同时，固态电池受温度的影响较小，车辆无需安装专门的温度管理系统，从而降低了电动汽车的生产成本。 然而，尽管固态电池具有诸多优点，但目前尚未实现大规模应用。这主要是因为生产固态电解质的过程非常复杂且成本高昂。以硫化物电解质为例，其成本比黄金还要高出 3 倍，而且硫化物遇水会产生剧毒的硫化氢气体，因此必须在比沙漠还要干燥 100 倍的特殊车间里进行生产。氧化物电解质在烧结过程中能耗巨大，每小时耗电量高达 300 度，其成本比普通锂电池贵了 260 倍。聚合物电解质的成本相对较低，但每公斤也需要 2000 元。更为关键的是，聚合物电解质必须加热到 60 摄氏度才能具有较高的电导率，在常温下其导电性甚至比矿泉水还差。因此，在电动汽车上使用聚合物电解质时，还需要为其配备专门的加热装置，就如同给它准备 “暖宝宝” 一样。目前，最接近量产的还是固液混合电池。
