摘要：随着电动汽车（EV）行业朝着更高效率和更长续航里程的目标加速发展，固态电池（SSBs）已成为最具前景的技术之一。与传统锂离子电池相比，固态电池因其有望实现更高的能量密度、更快的充电速度、更强的安全性和更长的使用寿命而备受赞誉。

（本文编译自electronicdesign）

随着电动汽车（EV）行业朝着更高效率和更长续航里程的目标加速发展，固态电池（SSBs）已成为最具前景的技术之一。与传统锂离子电池相比，固态电池因其有望实现更高的能量密度、更快的充电速度、更强的安全性和更长的使用寿命而备受赞誉。

然而，尽管具有诸多优势，固态电池目前主要仍处于研究和试点阶段，若干技术和经济障碍使其尚未实现大规模商业化。尽管如此，电动汽车设计师提前了解固态电池的潜力至关重要，更重要的是，需提前准备好可适配固态电池的设计方案，以便在其实现商业化时能够迅速应用。

谁在引领这场前沿技术变革？

许多行业巨头正在积极推动固态电池的研发。例如，丰田宣布最早于2027年推出搭载固态电池的电动汽车。该公司称其原型电池可实现超1000公里的续航里程，并能在10分钟内完成充电。目前，这一技术突破仍在进行实际测试。

与此同时，美国公司QuantumScape正在开发一种采用陶瓷电解质的锂金属固态电池。实验室获得的结果令人鼓舞，数据显示其能够在约15分钟内充电至80%，并实现超过400瓦时/千克的能量密度。由汽车巨头宝马和福特支持的Solid Power公司，已启动100安时电池单元的试点生产，这些单元专为车辆集成和测试设计。

其他电池行业巨头，如宁德时代（CATL）、LG新能源（LG Energy Solution）和三星SDI，则在探索结合固态和液态电解质的混合设计，旨在打造一条从现有锂离子技术向全固态系统平稳过渡的路径。

突破与创新何在？

锂金属负极的应用是实现固态电池所承诺的高能量密度的核心。与此同时，研究人员正在开发一系列固态电解质，如硫化物基、氧化物基和聚合物基电解质，所有这些电解质在导电性、可制造性和化学稳定性方面均具有独特优势与权衡。

一个关键的技术焦点仍是枝晶抑制。枝晶（针状锂沉积物）可能在充电过程中生长，有可能导致电池短路。固态电池设计并非完全不受枝晶影响，但其在控制甚至消除枝晶生长方面表现更佳，相比传统电池具有潜在的重大安全优势。

固态电池大规模应用的障碍有哪些？

尽管固态电池技术已有突破，但主要障碍依然存在。其中最显著的问题之一涉及所用材料。硫化物电解质虽然具有出色的离子传导性，但其极易与空气和水分发生反应，导致制造工艺复杂且成本高昂。此外，固态电解质与电极材料之间的界面电阻会随时间增加，进而降低效率并缩短电池寿命。

另一项挑战在于管理电池循环过程中的体积变化（如下图所示）。这些膨胀和收缩会在电极-电解质界面处产生机械应力，可能导致开裂并最终造成性能退化。

上图显示，传统锂离子电池在充放电循环过程中会经历较大的体积波动，而固态电池的体积变化更稳定且可控。

在生产方面，固态电池需要全新的制造基础设施，从干燥室到高精度质量控制系统均需更新。从实验室规模扩大到工厂生产是一个精细且昂贵的过程，而材料的极端敏感性进一步加剧了这一复杂性。目前，固态电池的生产成本估计比传统锂离子电池高出2至3倍。

此外，尽管固态电解质中枝晶形成的可能性较低，但并未完全消除。在高电流密度下，锂枝晶仍可能穿透晶界，带来短路风险并缩短循环寿命。

目前取得了哪些进展？

尽管面临这些挑战，行业已实现了多个重要里程碑。QuantumScape和Solid Power等公司已展示了在实验室条件下可实现800至1000次充放电循环的固态电池单元。此外，两家公司均已向OEM交付多层软包电池单元用于车辆测试，这标志着固态电池向实际应用迈出了重要一步。最近，Stellantis和梅赛德斯也宣布了进一步的成果。

能量密度——电动汽车电池性能的关键指标——在原型电池中已超过350至400瓦时/千克。这相比当前锂离子电池常见的250至280瓦时/千克实现了显著提升。

电气工程师需要了解哪些方面？

固态电池的工作电压和热特性可能与锂离子电池不同。因此，热管理系统必须适应可能更低的产热，但被动冷却能力更弱（由于更密集的封装）。换句话说，这是一个不同但挑战可能同样严峻的问题。

这些考量源于材料、充电行为、能量密度和安全特性的差异。虽然这属于电气工程师的熟悉领域，但其中一些重要的新因素不容忽视：

热设计需要考虑哪些因素？

固态电池由于内阻更低且寄生反应减少，通常在充放电过程中产生的热量较少。然而，高功率应用和快速充电仍可能导致显著的局部发热，尤其是在固态电解质与电极的界面附近。

此外，固态电池可能出现局部热点，特别是在界面接触不良或电流密度较高的区域。固态电解质的导热性低于液态电解质，可能导致某些区域的热量积聚。

这些因素意味着热管理系统（TMSs）可能需要做出调整。在某些低功率固态电池应用中，被动冷却可能已足够，但电动汽车可能需要主动冷却系统（空气、液体或相变材料）。冷却策略可能需要从整体流体流动转向局部散热（如热管或嵌入式散热片）。

与现有电池相比，固态电池通常具有不同的工作温度范围。例如，某些固态电解质（尤其是硫化物基电解质）在环境温度以上（如40至60°C）时运行最佳，以实现最佳导电性，而其他电解质（如某些聚合物或氧化物基电解质）则需要预热处理或加热元件，尤其是在寒冷气候中。

电气设计需要考虑哪些因素？

为优化电压范围和效率，部分固态电池可能在更高的标称电压和峰值电压下运行。这可能需要对逆变器、DC/DC转换器和电池管理系统进行重新设计。

更高的能量密度意味着在相同的电池组体积下，高功率输出时可能需要更大的电流。因此，母线排、接触器和互连部件必须进行优化以降低电阻和最小化电感损耗。

如前所述，更高的能量密度和电压可能对现有电池管理系统构成挑战。至少需要新的算法来进行荷电状态（SOC）估算和均衡。由于固态电池表现出不同的电压曲线和退化机制，荷电状态和健康状态（SOH）估算算法都必须进行更新。特别是监测需要对温度梯度、机械退化（如界面接触失效）和电池组内的压力变化更加敏感。

由于绝缘和介电要求，高压固态电池单元可能需要增强电气隔离和改进介电屏障，尤其是在使用易被刺穿或击穿的薄固态电解质时。

相反，固态电池中的电极-电解质界面通常比液态系统具有更高的电阻，尤其是在键合不良的情况下。因此，设计必须包括对电池单元施加均匀压力、最小化膨胀/收缩系数的不匹配，并且通常在模块设计中加入压缩框架或弹簧系统。

压缩系统为何如此关键？

压缩结构不容忽视。这类结构是维持内部接触压力的必需，因为在固态电池中，固态电解质与电极材料之间良好的物理接触是实现高效离子传输的关键。与液态电解质可流动填充间隙不同，固态组件必须通过挤压贴合以保持低界面电阻。

压缩可确保在膨胀/收缩循环过程中保持持续接触，防止出现会增加电阻或导致电池故障的分层或间隙，并补偿制造公差或热膨胀失配问题。

在充放电过程中，传统电池和固态电池单元均会经历轻微的机械膨胀和收缩。若没有适当的压力管理，电池单元可能会开裂、分层或发生层间分离，这可能导致容量衰减和循环寿命缩短。压缩框架或弹簧可吸收这些变化，并在所有电池单元上均匀分布力。

最后，这些结构还有助于提升结构完整性和安全性，因为电池组必须承受路面颠簸或碰撞带来的振动和冲击、驾驶及快充过程中的热循环，以及与老化相关的变形。

来源：王树一一点号