固态电池还有多远？中南大学李荐教授详解技术进展

“充电十分钟，续航千公里”“针刺不起火、碰撞不爆炸”……近年来，“固态电池”这一概念频频进入公众视野，不仅让新能源汽车车主充满期待，也成为科技界、产业界和投资界竞相追逐的热门领域。

然而，备受瞩目的“终极电池”究竟还需多久才能融入日常生活？其研发过程中面临哪些“卡脖子”难题和技术路线选择？

2月2日，湖南日报记者专访了中南大学教授、博士生导师李荐，他长期致力于全固态锂离子电池的基础研究与产业化开发。

固态电池为何备受青睐？

安全性极高，理论上可使电动车续航轻松超过1000公里

李荐指出，要理解固态电池为何“走红”，首先要从当前广泛使用的传统锂离子电池（即锂电池）说起。

无论是手机、平板还是新能源汽车，其电池内部都含有易燃的液态电解液。“这就像穿着一件浸满汽油的衣服在厨房里走动，一旦电池被穿刺、碰撞或发生短路，极易起火甚至爆炸，安全隐患始终难以消除。”

李荐进一步表示，液态电池的续航上限也愈发明显。随着人们对电动车长续航、手机长待机需求的持续增长，仅靠优化液态电池的结构和材料已难以实现重大突破，续航问题成为制约行业发展和用户体验的核心瓶颈。

“固态电池正是为解决这些痛点而生的‘救星’。”李荐告诉记者，其最大革新在于用固体电解质替代液态电解液，相当于把“汽油服”换成了“防火砖”，从根本上消除了起火和爆炸的风险，安全性大幅提升。同时，固态电池可通过合理搭配正负极材料、进一步优化结构来承载更多电量，能量密度远超液态电池，理论上可使电动车续航轻松突破1000公里，这也是它成为下一代电池核心方向的关键原因。

量产的最大障碍

两座“仓库”之间的“物流系统”受阻

“固态电池仍属于锂电池，量产的最大拦路虎是固相界面问题。”李荐解释说，这与锂电池的工作原理和结构密切相关。

“可以把锂电池想象成一个特殊的‘仓库加物流系统’。”李荐介绍，电池的正极和负极好比两座储电的核心仓库，由钴酸锂、石墨等粉末材料构成，附着在金属箔上，专门用于储存电荷。锂离子则是往返其间、负责搬运电荷的“搬仓鼠”。填充在正负极之间的电解液，就是“搬仓鼠”的“运输通道”。

当液态锂电池充电时，外部电流驱动锂离子从正极“仓库”出发，快速穿过这条通道，嵌入负极的微观结构中，从而将电能转化为化学能。放电时，过程则相反。

因此，电池工作的本质就是锂离子在正负极之间的循环“搬家”。液态电解液如同一條平坦的“高速公路”，让离子高效顺畅地通行。

“这得益于液态电解液与正负极材料的完美浸润。”李荐说，就像水渗入海绵一样，电解液与电极固体材料实现了原子级别的无缝接触，让“搬仓鼠”犹如在泳池中游泳，从电极材料“下水”或“上岸”都毫无阻碍。

然而，固态电池的目标是用坚固且不易燃的固态电解质取代这条易燃的“运输通道”。设想虽好，一个根本难题随之而来：如何让固体正负极和固体电解质之间也能完美浸润、“亲密无间”？

李荐补充道，这就像将三块玻璃紧贴在一起，肉眼看似贴合，但在纳米尺度的微观世界里，表面其实布满凹凸与空隙，真实接触面积可能不足1%。

对于更微小的锂离子“搬仓鼠”而言，这些空隙无异于通勤路上突然出现的悬崖峭壁，它无法从一块固体表面“跳”到另一块固体上。离子传输受阻，电流就无法有效形成，这便是固态电池面临的核心挑战——固相界面问题。

破局前行

三条路径推动“固态高速路”走向现实

面对固相界面这座“大山”，全球研究者正从不同路径寻求突破。目前，主流技术方案主要围绕硫化物、氧化物和聚合物三类核心材料展开。

这些材料，本质上是构建固态“运输通道”——固态电解质的不同选择。

硫化物路径是当前投入最多、也被众多大型车企选定的主流方向。其思路是选用质地相对较软的硫化物作为固态电解质，通过施加高压，像按压橡皮泥一样使其与电极正、负材料紧密贴合，从而改善界面接触。李荐介绍，该路径技术可行性明确，已有原型产品问世，但其生产工艺复杂、设备投入大、成本高，规模化量产仍需克服工程与成本上的巨大挑战，且存在易产生硫化氢这种剧毒气体的隐患。

2011年，一直从事新能源材料及电池研发的李荐创办了湖南省正源储能材料与器件研究所，通过多年研究，在固态电池领域取得重要进展。2024年，他创立湖南长固新能源科技有限公司。在固态电池攻关方面，除了对硫化物路线深入研究外，公司还重点选择了另外两条路径。

“聚合物路径能最大程度兼容现有电池生产工艺和设备，提供了另一种更贴近现有产业的思路。”李荐告诉记者，该技术采用特殊的有机高分子材料，在注入电池前是液体，能像现有电解液一样充分浸润电极，随后在内部固化变成固态，即“原位固化”，从而实现优异的界面接触。

目前，长固公司研发的聚合物固体电解质离子电导率已稳定突破10⁻³ S/cm，这一数值标志着其离子导电能力已与当前液态电解液处于同一数量级。

“该技术在安时级软包电池中得以运用，通过了电池的性能及安全性检测，这相当于完成了实验室的‘原理样机’研制。”李荐告诉记者，这表明了该技术路线的根本可行性。下一步的重点是“工程放大”。长固公司团队正致力于解决材料在大规模生产中的一致性、长期循环稳定性以及与现有产线更深度适配的工艺细节问题。

我们离固态电池还有多远？

“那一天，或许就在眼前”

“氧化物路径最具创新性与想象力。”李荐告诉记者，它采用质地坚硬的氧化陶瓷类材料，不怕氧、安全性高，不会产生硫化氢等有毒有害气体，但缺点是质地很硬，无法像硫化物那样通过加压解决固相界面问题。

为此，长固公司的研究人员采用了一种叫磁控溅射镀膜的工艺——先把材料做成一块“靶子”，再用高能粒子去“打”靶，让靶的原子一个个飞出来，均匀地落在电极表面，使其像一层极薄的“皮肤”一样慢慢生长。

“这样就能在电极上形成一层只有微米级厚度、致密又连续的固态电解质膜，使固体电解质与正负极材料实现原子级别的紧密接触，让锂离子顺利通行。”李荐介绍，通过该技术，长固公司已成功制备出面积达数平方厘米、厚度低于10微米的全固态薄膜电池样品。

由于薄膜全固态电池是个新生事物，应用场景是当前最大的挑战与机遇。

“我们正站在固态电池从实验室走向特定市场的临界点上，每条路径都在推动‘固态高速路’走向现实。”在李荐看来，真正的“见面”，不是等固态电池装进每辆电动车，而是当用户的AR眼镜、智能手表或医疗设备里，悄悄用上一块不起火、更安全的固态电池。

“那一天，或许就在眼前。”李荐说。