原文：Why Is Everyone Trying to Build a Solid-State Battery? 原作者：Brian Potter · Construction Physics · 2026-07-30 中文翻译；版权归原作者所有。
一种备受关注的电池技术是固态电池（solid-state batteries），即用固态材料替代液体电解质的锂离子电池。截至2024年，仅中国电池制造商宁德时代（CATL）就有超过 1,000 人 投身于固态电池研究，而像比亚迪（BYD）、LG 和三星（Samsung） 等电池制造商也在研发这项技术。截至 2025 年，研发固态电池的欧美初创企业总共筹集了超过 40 亿美元的资金。
与我们目前使用的液态电解质锂离子电池相比，固态电池具有几个潜在优势。首先，用固态物质替代液态电解质有望使电池更轻，每输出单位能量所需的质量更少。其次，由于电池中目前使用的液态电解质易燃，将其换成固态材料可以使电池更安全，不易发生火灾。
我想更深入地了解：与传统锂离子电池相比，固态电池究竟为何具备这些优势，以及它们在锂电池演进的长远发展脉络中占据怎样的位置。
电池基础知识
电池通过化学反应提供能量。而无论涉及何种化学物质，化学反应释放或吸收能量的机制都是相同的：一个或多个电子从一个势能阱（potential energy well，简称势阱）移动到另一个势能阱。在释放能量的化学反应（放热反应）中，电子从较高的势阱移动到较低的势阱，并在过程中释放出能量。
“势阱”这个概念相当抽象，因此我认为用重力作类比很有帮助。假设一个球位于高山顶部的浅凹槽中，而山脚下还有另一个浅凹槽。球受到重力向下的拉力，这赋予了它势能——该势能取决于球的质量大小以及它距离山底的高度。单凭自身，山顶上的球不会移动，但如果你稍微推它一下，把它推出凹槽，它就会向山下滚去，在这个过程中释放其势能。这种势能转化为动能（球的速度），动能又通过摩擦力转化为热能，使球减速，直至停在下方的凹槽中。
化学反应的运作方式有些类似。但这里的势能并非来自重力，而是来自电磁力：带正电的原子核对带负电的电子产生吸引力。在放热反应中，原子始于某个特定的“凹槽”，其电子处于某种特定的排布方式。但如果你稍微给这些原子一个外力推动（例如，通过加热使它们的碰撞更加剧烈），你就能将它们撞出原有的凹槽，让它们“滚下山坡”，进入能量更低的构型，在此过程中转化其电势能。这些势能中的一部分（实际上是一半）将用于增加电子的速度；其余部分则以振动（热量）或光子的形式释放出来。
举例来说，假设你从一个甲烷分子（一个碳原子和四个氢原子，CH4）和两个氧分子（每个由两个氧原子组成，O2）开始。这些分子一开始其电子处于特定构型，氧原子彼此键合，氢原子与碳键合。在室温下，O2 和 CH4 大体上不会相互反应：各自处于需要能量才能脱离的自身势阱中。但是通过加热给它们一个推力，它们就能“滚下山坡”，经历一系列反应，最终进入能量更低的构型——氢原子和碳原子分别与氧键合，生成 H2O 和 CO2。由此产生的电子构型处于更低的势阱中，其中的大部分能量差以热量形式释放。
不足为奇，锂离子电池是通过利用与锂相关的化学反应来工作的。当锂离子电池放电时，锂离子及其电子“滚下山坡”，从负极的一种构型（嵌入石墨层之间，被称为“插层/嵌锂”）移动到正极能量更低的另一种构型（嵌入另一种材料中，例如磷酸铁锂，LiFePO4）。电池的结构设计旨在从该反应中捕获能量。锂离子可以通过负极进入电解质，但电子不行：它们必须绕道而行，穿过连接负极和正极的金属导体。这种电子的流动就是电池产生的电流。（当电池充电时，情况正好相反：施加在导体上的电压迫使电子逆流而上回到负极，同时锂离子流回电解质以保持电荷平衡。）1
锂离子电池示意图，来自链接。
锂是电池的首选材料，因为与合适的反应物配对时，电子脱离锂原子所经历的“能量落差”比脱离任何其他金属都要大。锂也是一种非常轻的原子（原子量约为 7），加之巨大的“落差”，意味着锂反应能产生极高的能量。单位质量下，锂反应释放的能量大约与燃烧汽油相当。
但如果真是这样，为什么锂离子电池的能量密度远低于汽油呢？
各类电池和燃料的能量密度，来自 Wikipedia。
一个重要原因是氧化剂。我们赖以获取能量的化学反应通常需要一个供电子最终到达的“下坡目的地”，这被称为氧化剂。在燃烧汽油时，氧化剂是周围空气中的氧气：在汽油发动机内部，燃料和空气混合后被点燃，引发驱动发动机的化学反应——即爆炸。换句话说，燃油汽车不需要随身携带氧化剂，因为周围环境中随时都有现成的。
然而，锂离子电池就没有这么幸运了。它们需要以正极的形式随身携带电子的归宿。与燃油车所需承载的重量相比，这增加了大量的额外质量。如果一辆汽车需要随身携带自身的氧化剂，那么每 1 千克汽油就需要大约 3.5 千克的氧气。
更广泛地说，为了构建锂反应体系并以电流形式从中提取能量，需要大量的材料支架。在负极，每个锂离子需要额外的六个碳原子，形成供锂离子安顿其中的石墨层。正极也需要类似的嵌锂结构。除此之外，还有电解质、隔膜、集流体等带来的额外质量。截至 2019 年，电池中每反应 1 克锂，大约需要 70 克支撑材料（尽管自那时以来该数字可能有所下降）。
如果没有这些材料支架，反应仍然可以发生，但将是以一种无用的方式进行。如果某种因素在正负极之间建立了直接通道，反应将几乎瞬间完成，产生大量热量并引发其他化学反应从而摧毁电池，却不会产生任何有用的电流。事实上，现代电池设计花费了大量精力来防止这些失控反应的发生。
当然，所有这些材料支架的好处在于，你可以一次又一次地将相同的化学物质用于反应。现代锂离子电池上的嵌锂电极尤其擅长这一点；由于电极结构在电池充放电时得以维持，锂离子电池可以经历极多次循环，同时仍保留其大部分容量。而在燃烧汽油时，你是在不断排放反应产物（这当然正是我们最初想要摆脱化石燃料、阻止排放的 CO2 在大气中积聚的全部原因）。理论上，你可以通过制造某种基于锂的内燃机来弃用锂离子电池的支架，但这将运作得极其糟糕，而且运行成本极其昂贵（尽管有些人对利用空气中的氧气作为电池氧化剂的锂空气电池很感兴趣）。
固态电池的前景
固态电池的主要潜在好处在于大幅削减这种材料支架。
当前锂离子电池的一个棘手问题是枝晶（dendrites）。正如我们所指出的，在负极，锂离子安置在石墨层之间。但负极对锂离子的束缚非常弱，仅略好于金属锂本身的结合力。这很有用，因为离子可以轻易迁移到电解质中，从而使电池得以工作，但这同时也是一把双刃剑：在特定条件下，充电时本应进入负极的锂离子可能会在负极表面获得电子，形成称为枝晶的树状金属锂结构，而不是嵌入石墨层之间。如果枝晶刺破正负极之间的隔膜，就会在两者之间建立直接通道，导致电池设计所极力防止的失控反应发生。（这不会立即让电池中的所有锂都参与反应——随着电流流过枝晶，枝晶会升温，最终熔化并断开通路——但短暂反应产生的热量可能足以触发其他化学反应，导致热失控并彻底损坏电池。）大量的电池开发工作都致力于防止这些枝晶的形成。
枝晶生长，来自 Wikipedia。
然而，如果将液体电解质替换为某种固体材料，这些枝晶可能就不再是问题了。2 有了坚固的固态电解质，枝晶（理论上）将无法穿透它，尽管在当前的固态电解质中，枝晶似乎仍然能找到穿透的路径。如果枝晶的风险被消除，你就可以换用不同的负极，完全摒弃石墨嵌锂结构，转而使用纯金属锂作为负极。3 而且由于固态材料消除了易燃电解质，所制得的电池也可能会更安全。
固态电池可能不会很快普及——宁德时代董事长在技术成熟度等级上将其评为 4 级（共 9 级），并指出商业可行性“尚未确立”。但人们对其“[可能]更安全、能量密度更高，并且最终可能比今天的电池更便宜”的预期，正在推动世界各地的制造商努力将其变为现实。
感谢 Austin Vernon 阅读本文草稿。文责自负。
电子在放电期间发生迁移的原因较为复杂。在负极，锂离子迁移到电解质中，因为电解质是一个更具吸引力、处于更低势能阱的位置。在正极，情况正好相反；锂离子从电解质迁移到正极中。在每个电极处，这都会产生净电荷并生成电场，从而阻止进一步的迁移。但是，由于负极界面处现在具有净负电荷（因为带正电的锂离子已离开），而正极界面处具有净正电荷（因为带正电的锂离子已进入），当两者通过导体连接时，电子会在两极之间流动以平衡电荷。然而，由于每个到达的电子都与一个到达的锂离子相配对，正负极之间的电荷差并没有被彻底中和平衡，从而使电流能够持续流动，直到正极没有多余空间容纳锂离子或负极不再有锂离子剩下为止（不过大多数电池都设有截止机制，当电压降至某一水平以下时会停止电流流动）。
在晶体固态电解质中，锂离子通过从固态晶格中的一个空位跳跃到下一个空位来实现迁移。由于热能的作用，离子每秒来回振动数万亿次，有时某次振动会具备足够的能量且方向合适，从而挤过周围的原子进入附近的空位。
20 世纪 80 年代的一家名为 Moli Energy 的公司曾尝试制造使用金属锂负极的锂电池，但由于枝晶问题导致电池起火，在经历了一次大规模召回后放弃了该方案。