要想彻底替代燃油车，电动汽车需要更持久的续航里程、更快的充电速度和更安全的使用体验。目前来说，最佳的解决方案就是全固态电池，理论上全固态电池可以让电动汽车续航里程超过2000公里，这样的存储密度到底是怎样实现的呢？

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目前主流的锂离子电池，续航里程勉强跟燃油汽车相当，没有太大的竞争优势。其主要原因是，锂离子电池在现有模式下，已经接近设计极限，电极材料改进空间也有限，能量密度提升空间有限，要想实现突破须在根源上进行突破。其实，我们一直使用的锂离子电池，影响电池电量的关键因素就是正负极的电极材料，其中正极的电极材料已经开发比较充分，改进的空间有限了，但负极材料还有很大的改进空间。

现有的负极材料，主要是以石墨为主的碳基材料、硅基材料以及一些其他材料。不管是石墨材料、混合材料，还是比较热门的石墨烯材料，都不是直接存储电量的物质，真正存储电量的还是锂元素。常用的锂离子电池就是把锂元素储存在这些物质里面，放电的时候释放锂离子出去，充电的时候锂离子再装回去。其实，如果我们仔细想想，把锂元素装到这些材料里面，就相当于给每个锂离子盖了一个房子。同样的体积，没有房子时，显然要比有房子能放的锂离子多多了。能放的锂离子越多，能储存的电量也就越高。

比如我们正在使用的石墨电极，理论最大的比容量是372mAh/g，如果直接换成锂金属的话，理论容量可以达到3860mAh/g，单位质量的容量提高超过十倍。这样的电极材料，对于提高电池电量降低电池体积有非常大的意义，让电动车续航2000公里真不是梦。大家可能比较纳闷，那为啥之前不直接用锂金属做负极呢？

其实用锂金属做负极的电池早就有，但是这种电池不适合充电，因为充电的时候，锂离子并不老老实实返回原来的位置。本来是一块锂金属板，放电的时候从表面剥离锂离子，充电的时候虽然也会返回金属板表面，但不再均匀贴附到锂金属表面，而是会像大树长树枝一样出现枝晶现象，这些锂金属形成的“树枝”往外伸展，有很大概率扎破正负极之间的隔膜，从而出现短路现象，电池直接报废，甚至还很容易发生火灾。所以用锂金属做负极的电池一般都是一次性的电池。

但是，到了全固态电池这里又不一样了，因为电解质是固体的而不是液体的，锂离子并不会那么随意地移动，枝晶现象不再那么显著，锂离子反而更容易回到原来的位置。同时，由于固体电解质的存在，就算有轻微枝晶现象，也不太可能造成短路，不会带来很严重的安全隐患。换句话说，液态电池不敢用的锂金属电极，固态电池可以放心使用，也就是固态电池的理论容量可以大幅度提升。

根据文献测算数据，固态电池的理论容量可以突破400Wh/kg，如果使用高压正极，理论容量还可以进一步突破800Wh/kg。怎么理解这个数值呢？最近中国宁德时代公布的新一代麒麟电池能让汽车的续航里程超过1000公里，能量密度也不过才255Wh/kg。这样一比较，固态电池能让汽车续航里程超过2000公里一点都不夸张。

再换一个角度，我们手里面使用的充电宝，20000mAh容量，质量在500克左右，如果按固态电池最大密度来算的话只需要90克左右，加上外包装估计也可以控制在100克多一点，这就非常mini了。当然现在的固态电池还远远达不到这样的能量密度，这只是一个长远的畅想。但总体来说，固态电池能量密度是可以超过传统锂离子电池的，提升空间比较大。

固态电池解决的第一个痛点是负极可以直接用锂金属，从而大幅提升能量密度。它解决的第二个痛点就是提升锂离子电池的安全性。

传统的锂离子电池之所以不安全，主要是因为使用了有机液态电解液，这些有机电解液多数都是易燃液体，一旦电解液泄露很容易着火。之前已经发生过很多电动汽车自燃的事故，甚至发生过飞机自燃的事故，这些都跟锂离子电池的安全性有关。

使用有机液态电解质的锂离子电池，在面临短路、针刺、过冲、快充等这些危险行为时，很容易发生电解质气化膨胀、电解液泄露、电解液着火等行为。如果换成固态电解质，就可以从原理上避免这些危险隐患。固态电解质一般都是不容易燃烧的物质，就算是暴露出来，也不会着火，在短路、针刺等试验的时候自然也不会发生燃烧。更何况，固态电解质本身都是熔点比较高的物质，轻易不会产生气体，也就不容易发生电池胀包这样的事情。

再加上前面提到的不容易发生枝晶现象，就算发生轻微的枝晶，也不太可能刺穿本身就比较坚硬的固态电解质，也就不容易发生内部短路的现象。所以固态电池从原理上就是比传统锂离子电池更安全，轻易不会发生安全事故。不管是手机、汽车还是飞机，都可以用上更安全更轻便的电池，续航能力可以得到很大的提升。也因此，全固态电池是全世界都在重点研发的。

固态电池，能够解决传统锂离子电池面临的两大痛点，可以说是前途无限，但是它的研发和生产却非常困难，以至于这么多年都是雷声大雨点小。

从研发上来说，固态电解质说起来简单，但实际上却存在这样那样的缺陷。

首先，固态电解质导电能力比较差。一般来说能导电的固体物质往往是金属或半金属这些物质。常见的盐类都是在溶液中或者是熔融状态下可以导电，固体状态往往是很难导电的。现在要选用的固态电解质恰恰是这类盐类电解质，而且还不能放到溶液中，也不能处于高温熔融状态，所以很难导电，换一个专业术语叫做电导率低。

在液体电解质中，液体包裹着锂离子就像鱼儿一样可以自由游动。但在固态电解质中，本来就有一些锂离子镶嵌在固体的格子里面，那些格子就像山里的山洞一样蜿蜒曲折，锂离子并不是直接钻过这样的山洞，而是通过接力的形式，新来的锂离子把原来的锂离子挤出山洞，从而实现锂离子穿过固体电解质，穿过固体电解质要比在液体电解质里面游动难多了。为了让电池可以正常工作，必须要把固态电解质做成很薄的薄膜，以便提高离子通过的效率。

其次，固态电解质本身跟正负电极之间是压在一起的，两种固体接触不像液体和固体接触那样紧实，存在接触界面，这个界面的阻抗比较大，锂离子并不能轻松穿过。这个界面就像两国的国界线一样，虽然看起来紧挨着，但想穿过去还需要克服一定的困难。另外，对于负极和电解质的界面，还涉及到锂离子消耗和补充的问题。放电的时候，负极的锂离子会有所消耗，让界面贴合变得不再紧实，充电的时候，锂离子返回，但也不会老老实实返回原来的位置。虽然不会像在溶液中那样产生严重的枝晶现象，但也不会完美还原放电前的状态，随着使用，界面阻抗应该会越来越大。

第三，固态电池不能使用传统锂离子电池的生产工艺，需要研发新的生产工艺。固态电解质，怎样高效组装，是非常考验生产线的一个难题。要知道，固态电解质可不像液体一样能自由流动，需要通过高温熔化或者高压压实才能达到需要的状态。同时还要考虑跟正负极之间的贴合问题。而且不同的固态电解质对加工条件的要求也不一样，再加上一些高性能电解质可能会跟正负极材料发生反应，需要用特殊材料包裹起来再跟正负极接触。因此，固态电池的加工需要比较复杂的生产工艺，目前还处于初级阶段，未来需要不断改进完善。

第四，固态电池的未来非常值得期待，但当下还很不理想。除了前面提到的那些困难以外，还有一些其他的困难存在。这些困难造成了，理论上前途无量的固态电池，目前甚至还比不上传统的锂离子电池。比容量优势还没有充分体现出来，直接影响性能的很多困难还没有真正克服，生产工艺还没有很好的解决。甚至固态电池有很多的解决方案，目前还没有形成一个理想的标准。甚至不同类型的电解质都有自己的优缺点，没有单一电解质同时具有固态电池需要的所有性能，需要不断地改进和优化。

总体来说，固态电池是未来锂离子电池的发展方向，有很诱人的开发前景，但距离真正成熟还有很长的路要走。未来还有可能出现不同技术路线相互拼杀的市场格局，最终可能只有一两种方案能脱颖而出站稳脚跟。