随着对安全高效能源存储解决方案的需求增加，新型电池技术正在快速发展。固态电池 (SSB) 代表了能源存储技术的一项重大进步，有潜力克服传统锂离子电池 (LIB) 的多项限制。通过用陶瓷、高分子或硫化物等固体材料替代易燃的液态或凝胶电解质，固态电池提供了更高的安全性、优异的热稳定性以及显著更高的能量密度，可达到 500 Wh/kg，相比之下，传统系统仅为 250 Wh/kg。固态电解质的存在不仅使使用锂金属负极和高容量正极成为可能，还降低了液态电解质电池常见的高易燃性、枝晶形成、高电压下电解分解以及泄漏等风险。
固态电池的循环寿命可超过 1000 次，相比之下，典型锂离子电池 (LIB) 仅为 500 次，因此也具有更长的使用寿命。与锂离子电池 (LIB) 相比，固态电池占用空间更小，设计更紧凑，使其非常适合用于电动汽车 (EV)、可穿戴电子设备、心脏起搏器等医疗器械以及航空航天应用。
我们考察了 CAS 内容合集TM，全球最大的人工收录科学信息库，以更好地理解固态电池的研究布局，发现其研究焦点已明显从早期阶段转向广泛的科学与商业关注（见图 1）。
图 1：固态电池领域的文献发表趋势。2025 年的数据统计截至 7 月。来源：CAS 内容合集。
在 2000 年代初期，相关活动甚少，这表明固态电池仅限于基础研究阶段。然而，约在 2017 年，学术论文和专利数量急剧增加，这反映了技术成熟度的提升、市场需求的增长，以及该技术作为解决传统锂离子电池关键局限的方案获得了认可。
目前，专利数量略高，表明该领域正从学术研究向商业化准备阶段发展，企业正在积极保护知识产权。近年来专利的快速增长反映了由电动汽车增加、可再生能源的电网级储能需求以及对更安全、高性能能源解决方案需求推动的紧迫市场需求。当前的发展势头表明，固态电池已达到研究和投资的关键节点，这通常出现在重大突破和广泛应用之前。
亚洲引领全球电池创新
为了评估固态电池 (SSB) 领域的商业化进展，我们根据专利活动确定了排名前 15 的公司（图 2a）。日本企业如丰田和松下以丰富的专利组合领先，这反映了日本在固态电池 (SSB) 技术上的早期战略投资以及其与汽车行业的紧密关联。其他主要亚洲公司，如 LG 化学 (LG Chem)、三星 SDI (Samsung SDI) 和宁德时代 (CATL) 的参与，进一步巩固了亚洲在全球电池创新中的领导地位（见图 2a）。
各国商业专利活动的趋势揭示了固态电池 (SSB) 领域创新格局的变化（见图 2b）。日本通过持续投资和长期研究保持了稳定的领导地位，而中国近年来的快速崛起则标志着重大转变。这一激增不仅由成熟企业推动，还源于一波积极申请专利的新进入者。
相比之下，尽管美国和德国拥有强大的汽车及科技产业，但其相对较低的专利活动表明在固态电池 (SSB) 领域存在不同的战略重点或采用了替代的知识产权保护方式。
图 2a：按固态电池相关专利发表数量确定的领先商业实体。插图饼图显示各国家/地区发布的商业专利数量。
图 2b：主要国家/地区商业专利发表的年度趋势。
固态电解质的优势
固态电解质 (SSE) 是固态电池 (SSB) 的核心组成部分，作为离子导体固体替代传统液态电解质。它们实现锂离子或其他金属离子在电池电极之间的传输，同时将电极物理隔开，确保既具备离子导电性又具备电绝缘性。
固态电解质的一个显著特性是它们能够通过晶体学位点促进离子传输，在固体基体中，移动离子可表现得如同流体相。这一结构特性支撑了其高离子迁移率，这是实现电池高效性能的关键。与液态系统相比，固态电解质还具有显著优势，包括不易燃、不易挥发、机械强度高，以及在极端温度下的稳定性。这些特性不仅提高了安全性和稳定性，还支持使用锂金属负极，从而显著提升能量密度和电池寿命。
根据化学组成，固态电解质可大致分为五类：氧化物、硫化物、高分子、氮化物和卤化物。每种类型都具有独特的结构和电化学特性，从而影响其性能表现。近年来，有机和无机固态电解质均得到了广泛研究，从而在离子导电性、稳定性以及与电极的兼容性方面取得了显著提升。
我们利用包括 CAS SciFinder® 在内的工具，对 CAS 内容合集进行了分析，展示了按类型（图 3a）和年份（图 3b）分类的前 20 种固态电解质。在这些固态电解质中，无机电解质（主要是氧化物和硫化物）在文献发表中处于领先地位，这得益于其优异的离子导电性、更高的安全性、长循环寿命以及出色的热稳定性。
图 3a：按文献数量分类的前 20 种固态电解质类型。来源：CAS 内容合集缩略语请参见脚注。
图 3b：按年度统计的固态电解质出版物数量排名前十（基于发表量分类）。来源：CAS 内容合集缩写词请查看脚注。
氧化物基固态电解质
基于氧化物的固态电解质 (SSE) 因其优异的化学、热学和电化学稳定性，而被广泛用于下一代固态电池的研究。这些电解质具有空气和湿度稳定性，使其更易于操作和加工。它们还能够在高工作电压和高温下工作而不发生分解。
如图 3 所示，领先的氧化物固态电解质类型包括石榴石型的锂铈锆氧化物 (LLZO)、NASICON 型的锂铝钛磷酸盐 (LATP)以及钙钛矿型的锂铈钛氧化物 (LLTO)，它们均具有高离子导电性（通常为 10⁻⁴ 至 >10⁻³ S/cm）和优异的机械性能。LLZO 提供宽的电化学稳定窗口，并且与锂金属兼容性良好，而 LATP 无毒、成本低廉，适用于混合系统。LLTO 具有高导电性和优异的机械强度，但其性能取决于陶瓷的微观结构。
尽管具有潜力，基于氧化物的电解质仍存在若干限制。其脆硬的结构使得加工困难，难以与电极实现紧密接触，常导致界面阻抗高和离子传输不良。这种脆性还使它们在循环过程中容易因机械应力或体积变化而开裂。此外，它们的室温导电性通常低于基于硫化物的电解质。
LLZO 技术可能存在对湿度敏感和锂枝晶形成的问题，而 LATP 和 LLTO 在与锂金属直接接触时不稳定，这是由于 Ti⁴⁺ 被还原所致。这些问题可能导致短路，但可通过界面工程和保护涂层加以缓解。总体而言，氧化物电解质因其出色的稳定性、安全性以及与高电压正极的兼容性而备受重视，使其成为耐用且热稳定的固态锂电池系统的有力候选材料。
基于硫化物的固态电解质
基于硫化物的电解质是下一代固态电池中最有前景的材料之一，因为其具有极高的离子导电性，可达到 10⁻² S/cm，媲美甚至超过液态电解质。它们的结构通常包含基于硫的阴离子，如 PS₄³⁻，形成高度可极化且灵活的晶格，使锂离子能够快速迁移。
硫化物电解质的另一个主要优势是其柔软且可变形的特性，这使其在轻微压力下能够与正极和负极形成优异的界面接触，而这是脆硬的氧化物电解质难以实现的。它们还可以在低温下加工，从而使大规模生产成为可能。
如图 3a 所示，在基于硫化物的电解质中，阿尔吉罗石 (argyrodites)、锂-磷-硫 (Li-P-S) 以及锂锗磷硫化物 (LGPS) 是固态电池的领先候选材料。阿尔吉罗石（Li₆PS₅X，X = Cl, Br, I）和 Li–P–S 系统（如 Li₃PS₄、Li₇P₃S₁₁）的导电性范围为 10⁻⁴ 至 >10⁻³ S/cm，而 LGPS（如 Li₁₀GeP₂S₁₂），一种硫化 LISICON 材料，其导电性可达 10⁻² S/cm，可与液态电解质媲美。
尽管具有这些优势，基于硫化物的电解质仍面临关键挑战。它们对空气和湿度高度敏感，易分解生成有毒的硫化氢 (H₂S) 气体，从而增加了操作和加工的难度。其电化学稳定窗口较窄，在高电压正极和锂金属负极上易发生不良反应，形成阻抗界面并随时间降低性能。然而，通过掺杂、表面涂层和复合工程的持续改进，基于硫化物的固态电解质仍然处于实现高性能、安全且高能量密度固态锂电池研究的前沿。
基于聚合物的固态电解质
基于聚合物的电解质被用于固态电池，因为它们提供了无机电解质通常不具备的独特组合：柔韧性、可加工性和安全性。与脆硬的氧化物电解质不同，基于聚合物的电解质柔软且可变形，使其能够与电极形成紧密接触。它们还支持电池设计更薄、更轻且更柔性，非常适合可穿戴设备和便携式电子产品。
在基于聚合物的固态电解质中，聚丙烯腈 (PAN)、六氟丙烯-聚偏二氟乙烯共聚物 (PVDF-HFP) 和聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 是主要材料。然而，它们的离子导电性通常低于无机电解质，尤其在室温下，并且在高电压下可能存在电化学稳定性有限的问题。尽管如此，它们出色的柔韧性、界面兼容性和可扩展性仍使基于聚合物的电解质成为固态及柔性锂电池应用中具有吸引力且实用的选择。
基于氮化物和卤化物的固态电解质
基于氮化物和卤化物的电解质是新兴材料类别，因其高离子导电性和良好的电化学稳定性而被用于高性能全固态锂离子电池 (LIB)。如图 3b 所示，根据文献发表趋势，锂氮化物 (Li₃N) 和 LiXO (X = Cl, Br, I) 分别是前 20 种固态电解质中唯一的氮化物和卤化物。
Li₃N 具有极快的锂离子传输能力，其室温导电性可达 10⁻³ S/cm，这得益于其开放的晶体结构为 Li⁺ 迁移提供了连续通道。它们还具有热稳定性，并且与锂金属负极兼容。LiXO 通常与其他固态电解质或高分子材料结合使用，以改善界面接触和机械柔性。
这些材料也存在显著缺点。基于氮化物和卤化物的固态电解质对湿气和空气高度反应，容易生成有毒且腐蚀性的副产物，如氨气和盐酸，从而增加了操作和加工的难度。尽管存在这些限制，氮化物和卤化物电解质仍是开发高能量密度、热稳定固态锂电池的有前景途径，尤其是在复合电解质系统中使用时。
Argyrodites 成为领先的固态电解质技术
我们对前十种固态电解质材料的发文趋势进行了进一步分析，结果显示近年来研究重点发生了引人注目的转变（参见图 3b）。直到最近，LLZO 石榴石型电解质一直主导着该领域，因其对锂金属的优异稳定性及宽电化学窗口而持续吸引着研究界的关注。然而，到了 2021 年，发生了显著的变化，基于硫化物的阿尔吉罗石 (argyrodites) 的研究兴趣呈现爆发式增长，使其超越LLZO，在 2024 年成为被研究最多的固态电解质体系。
阿尔吉罗石 (argyrodites) 的这一显著增长反映了其多项基础优势已逐渐被研究人员所认识。由于 LLZO 属于陶瓷材料，需要极高的烧结温度，且易受界面接触问题影响，而阿尔吉罗石 (argyrodites) 则具备机械延展性，可通过简单的冷压方式与电极材料形成紧密接触。硫化物结构体系在室温下提供的离子导电性显著高于氧化物体系，从而解决了固态电池商业化过程中的一个关键瓶颈。
此外，阿尔吉罗石 (argyrodites) 与现有电池制造基础设施具有良好的工艺兼容性，使其在工业规模应用中更具吸引力；它们可在中等温度下加工，甚至可以通过溶液法进行制备。与此同时，LATP 等其他固态电解质体系以及基于聚合物的电解质仍然获得稳定但相对有限的研究关注，这表明尽管这些材料依然重要，但当前研究领域已将阿尔吉罗石 (argyrodites) 视为近期实现实用化固态电池最具潜力的技术路径。
领先的固态材料组合
我们对文献发表格局的分析还探讨了不同类型的固态电池 (SSB) 及其对应的主要固态电解质 (SSE)（见图 4）。锂离子电池 (LIB) 在该领域占据主导地位，相关文献数量最高，约占固态电池全部研究活动的 80%。期刊出版物与同族专利数量几乎平分秋色，表明该领域已进入成熟阶段，正从基础研究向商业化应用转型。
图 4： 不同电池化学及其相关固态电解质的固态电池研究分布。单独的饼图表示各自电池的期刊 (J) 和专利 (P) 出版物的比例。热图表显示与各自固态电池相关的最常见固态电解质。来源：CAS 内容合集。查看脚注以了解缩写。
用于锂体系的主要固态电解质显示出有趣的多样性。基于氧化物的电解质 LLZO 和 LATP 获得了最多关注，其次是高分子电解质如 PAN，以及基于硫化物的阿尔吉罗石 (argyrodites) 和 Li-P-S 系统。这种多样性表明该领域尚未集中于某一单一技术，不同的固态电解质正在根据各种应用需求被探索使用。
钠离子固态电池在文献数量上位居第二，但仍远落后于锂体系。专利与期刊文献的比例略偏向期刊文献，这表明该领域仍以研究为主，而非商业化驱动。钠体系的电解质偏好与锂体系存在显著差异：NaZPSi（钠超离子导体）位居首位，而高分子电解质（PAN、PMMA）也占据重要地位。一些以锂为主的电解质如 LATP 和 LLZO 也有所涉及，这表明研究人员正在探索不同体系之间的交叉兼容性。
锌离子电池是第三个重要领域，其期刊文献数量远高于专利数量。期刊文献占比偏高表明锌固态电池仍处于基础研究阶段，研究人员正在努力理解和优化这些体系，以为商业化开发做准备。锌电池的固态电解质主要以高分子电解质（PAN、PEO、PMMA）为主，这也符合锌与水性及准固态体系的兼容性特点。
新兴电池化学体系如镁和钾，尽管总体文献数量较低，但研究与专利活动相对均衡，表明其仍处于早期阶段，但发展前景可期。这些体系可能成为未来的替代方案，尤其是在研究人员寻求超越锂的多样化应用时，其独特特性可带来优势。
如图 4 所示，不同电解质的热图强度显示，某些电解质可在多种电池类型中通用，而另一些则仍局限于特定化学体系。这凸显了针对每种电池体系独特需求进行定制化固态电解质开发的重要性。
专利趋势显示固态电池具有广阔的应用前景
我们对固态电池 (SSB) 各应用领域的文献数量分析显示了研究重点和商业化成熟度的不同特点（见图 5）。
图 5：固态电池应用的期刊出版物和专利数量。来源：CAS 资源库。
电子产品和车辆明显主导了该领域，约占全部应用研究的 75%。然而，它们的发展轨迹存在显著差异。电子产品领域的期刊文献与专利数量差距较大，表明在将固态电池应用于消费电子产品方面仍存在基础研究挑战。这可能与小型化、成本或制造复杂性有关。相比之下，车辆领域的文献与专利数量几乎持平。表明该领域较为成熟，正从实验室向市场过渡，这一进展受到电动汽车增长以及对更安全、更高能量密度电池的迫切需求驱动。
新兴应用领域展现出潜力，但仍以研究为主。生物医学应用受到学术界的高度关注，但专利活动有限，这表明研究人员仍在探索基础可行性，而非追求商业化。这可能反映了医疗器械特有的严格监管要求和生物相容性挑战。
可穿戴设备的研究与专利差距更加明显，这表明尽管用于可穿戴技术的柔性、安全固态电池概念在学术上引人关注，但在实现商业可行性之前仍存在重大技术难题。
航空航天领域的期刊文献与专利数量几乎相当。尽管总体文献量较低，这一相近的比例与车辆领域的模式相似。这表明固态电池在航空航天应用中因其多项显著技术优势（如不易燃和高空性能更佳）而受到积极的商业关注。
固态电池的挑战与机遇
尽管固态电池 (SSB) 展现出巨大潜力，但若干挑战阻碍了其大规模商业化。其中一个主要技术限制是，相较于液态电解质，许多固态电解质在室温下的离子导电性相对较低。基于氧化物的电解质如 LLZO 需要高温烧结以形成致密微观结构，使加工复杂且成本高昂。硫化物电解质虽具有高导电性，但对空气和湿气敏感，需要在惰性环境下操作。
另一个挑战是电极–电解质界面的不稳定性。与液态电解质不同，固态–固态接触往往导致界面接触不良和阻抗较高。界面处的化学反应可能形成阻抗层，尤其是在锂金属负极上，这种情况会随循环加剧并降低电池性能。固态电解质的机械刚性还会在体积变化过程中产生应力、间隙和分层，进一步增加阻抗并加速性能衰减。
锂枝晶的形成仍是主要挑战，在高电流密度下，锂丝会穿透固态电解质的微观结构缺陷导致短路。此外，大规模生产成本高昂：这些材料的生产过程需要高温高压环境、精密工程控制以及严格干燥的条件（特别是硫化物电解质）。这些材料与集成工艺难题，加上回收体系不完善和供应链尚未成熟，共同阻碍了固态电池从实验室原型迈向工业化生产的进程。
尽管面临诸多挑战，固态电池正朝着材料设计、界面工程与规模化加工技术融合发展的未来迈进，以实现更安全、更高能量密度、更长寿命的储能目标。下一代固态电池将采用混合复合电解质，兼具陶瓷材料的高离子电导率与聚合物材料的柔韧性，从而确保电池在循环过程中界面的稳定性与机械完整性。低温制造技术（如冷烧结和瞬态液相辅助工艺）的突破，将使生产过程更高效，并与大规模工业化生产更好兼容。
最新研发成果印证了这一发展趋势：奇瑞汽车近日发布固态电池模块，其能量密度达 600 Wh/kg，可实现 1300 公里续航，是传统锂电池能量密度的两倍以上。同样地，欣旺达也推出了聚合物全固态电池，其能量密度达到400 Wh/kg，且在超低压条件下循环寿命可达1200次。这将使电动汽车的续航里程突破 1000 公里，并实现 1200 次充放电循环。按每年行驶 2 万公里计算，这类电池可支持车辆使用超过十年。
与此同时，数据驱动方法与人工智能辅助材料发现技术将加速该领域的优化进程与质量控制。超越锂电范畴，固态电池概念正拓展至钠、锌、镁、钾等多元金属离子体系，在提升可持续性的同时拓宽了资源获取渠道。随着技术持续突破与混合路径的不断成熟，传统电池技术与新兴固态方案之间的性能差距正在逐步缩小。
虽然全面商业化部署仍需数年时间，但科学突破与工业创新的交汇融合已清晰表明，固态电池正稳步迈向重塑未来十年各行业储能格局的发展轨道。
常用缩写对照：LLZO - 锆酸镧锂；LATP - 磷酸钛铝锂；LLTO - 钛酸镧锂；LiPON - 氮氧化磷锂；LAGP - 磷酸锗铝锂；NaZPSi - 硅磷酸锆钠；GLiZnO - 氧化锌锂锗；Li-P-S - 锂磷硫化合物；LGPS - 硫化锗磷锂；LSnPS - 硫化锡磷锂；Na-P-S - 钠磷硫化合物；PAN - 聚丙烯腈；PVDF-HFP - 聚偏氟乙烯-六氟丙烯；PMMA - 聚甲基丙烯酸甲酯；PEO - 聚环氧乙烷；PC - 聚碳酸酯；PDMS - 聚二甲基硅氧烷
