2026-04-21 09:10
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本文来自微信公众号： 声动活泼 ，作者：声小音，原文标题：《续航、安全、成本，动力电池的「终极方案」是什么？| 科技早知道》
动力电池正在成为大国博弈的战略资源。在全球地缘冲突加剧、能源安全日益紧迫的背景下，谁掌握了电池技术，谁就握住了能源转型的主动权。而中国恰好在这条赛道上跑到了全球前列——全球装机量前十的电池企业中，有六家来自中国。
这期「科技早知道」，我们请到了北京大学材料科学与工程学院的特聘研究员庞全全老师，从一线科研者的视角，拆解动力电池的技术全景。从磷酸铁锂和三元锂的「性价比之争」，到固态电池三大技术路线——硫化物、氧化物、聚合物——各自的潜力与瓶颈，再到钠离子电池、锂硫电池、铝电池等新兴体系，庞老师逐一解释了它们各自要解决的核心问题。
我们还聊到到了储能和AI。储能电池的需求正在爆发式增长，不仅来自风光配储，也来自AI数据中心对电力的巨大胃口。而AI反过来能否加速电池材料的研发？我们聊了聊固态电池的成熟度到底几分，为什么美国电池创业公司在刻意「绕开」中国的锂电产业链，储能电池和动力电池的核心需求差异在哪里。
本文预计阅读时长19分钟。
本文整理自播客「科技早知道」
焦点内容：
储能：比动力电池更大的赛道。
Yaxian
我们平常说的动力电池，在结构上主要由哪些部分构成？市面上主流的磷酸铁锂和三元锂又有什么区别？
庞全全
动力电池其实不是一个特别新的体系。大家手机、电脑里的电池本质上也是锂离子电池，区别主要在正极——手机电脑的电池主要用钴酸锂做正极，因为它的真实密度比较高，体积可以做得很小，能塞进手机和电脑里。动力电池就是把正极材料换成了其他材料，包括磷酸铁锂正极、三元层状氧化物正极，负极还是石墨，电解液还是我们常用的液态电解液，这样构成了一个锂离子电池。
市面上两种最主要的就是磷酸铁锂电池和三元电池，区别就在正极材料。你去看电车的时候，常会有基础款和高端款——基础款一般就是磷酸铁锂，因为磷酸铁是比较便宜的原料，成本相对低，安全性也稍好，但能量密度会低一些，这是由材料本身能储存的锂离子的量决定的。后来大家就开始把三元正极放进电动车，里程能有一定提高。三元正极是镍、锰、钴，镍和钴都是比较稀缺且贵的元素，尤其是钴，这三个相对于铁都要贵不少。
顺便说一下钴酸锂——从材料上看它其实是最贵的。产业界普遍认为它的缺点是安全性稍低。某种程度上，电池的能量密度和安全性存在反比关系，能量密度越高，安全性就会相对低一些。
衡量一个电池，除了安全性和能量密度，还有一个比较重要的指标是循环寿命，就是这个电池能用多少圈。磷酸铁锂的动力电池可以达到2000次甚至更高，三元大概是1000次左右。再就是功率密度和低温性能，这两个是相关的——磷酸铁锂因为材料本身电子电导率较低，在低温下能发挥出来的容量会低一些，所以在东北或者低温地区，磷酸铁锂冬天会受限制，三元在这方面会稍好。
Yaxian
我看到一个数据，2025年磷酸铁锂已经重新成为市场主流。这两种电池在历史上的地位是怎么变化的？
庞全全
这两个在历史上一直是相互竞争的态势。磷酸铁锂其实是最早被用到动力电池里的，但早期能量密度低、里程短、低温也差，所以后来大家追求更高性能，尤其在中国就转向了三元。再后来我们又开始追求安全和更便宜的电池，过去几年磷酸铁锂就慢慢重新回到了产业视野。而且磷酸铁锂在专利层面门槛很低，材料成本也低，靠这个成本优势，它逐渐占据了动力电池的半壁江山甚至更多。
(补充一点政策因素：2016年之前国家是给高能量密度的电池补贴的，所以那会儿三元锂发展特别快。后来政策调整了，不再强挂钩能量密度，磷酸铁锂的成本优势就显出来了。）
Yaxian
刚才聊的这些都是液态电池，都在能量密度和安全性上不断优化。而您研究的固态电池，在这两件事上似乎都有天然优势，业界也把它称为「彻底解决续航焦虑和安全焦虑的终极方案」。能不能跟我们说说，所谓全固态电池到底是什么？它相比液态电池有什么优势？能量密度又是怎么衡量的？
庞全全
全固态电池的"固态"，指的是电解质。原来的锂离子电池用的是电解液，是液体；固态电池就是希望把这个液体全部拿掉，或者部分拿掉，用固态电解质来取代。
这么做最核心的好处是安全性。固态电解质本质上可燃性会急剧降低——原来的电解液是一种可燃的有机液体，电池一旦热失控，电解液的燃烧会贡献非常大的热量；而固体的可燃性非常低，甚至接近零。所以固态电池是通过电解质体系的更替来实现更高的安全性，这是它被视为终极安全方案的原因。
这里有一个常见误解——固态电池的能量密度提升，其实不在电解质本身。单纯把电解液换成固态，本身并不会增加能量密度，甚至某种程度上还会降低，因为固体更重。但固态电解质本身稳定性更好，可以让我们使用一些原来锂离子电池里不敢用的电极材料——能量密度的提升是这么来的。
能量密度最常用、市场上常讲的单位是瓦时每公斤(Wh/kg)，也就是重量能量密度——每公斤电池能提供多少瓦时的电量。现在车上常用的锂离子电池大概在200多到300多Wh/kg，未来如果用上固态电池加新的电极材料，有可能达到400、500甚至更高。在不改变电池外观和集成方式的情况下，光靠材料本身，能量密度就可以提高一到两倍。
Yaxian
庞全全
主要有三种路线。
第一种是无机路线，把电解质换成无机电解质，这里又分硫化物和氧化物两大类。
硫化物现在是国内乃至全球都非常重要的一个体系，原因有两点：一是离子电导率非常高，能够和液态电解质相媲美；二是它相对比较「软」。氧化物电解质类似陶瓷，比如硅酸盐，比较硬，在电池里两个固体颗粒的接触会比较差；而硫化物比较软，固固接触能做得更充分。再加上界面处接触面积大，离子跨过界面也更快——所以离子在硫化物体系里跑得快，既来自材料本身，也来自界面。
硫化物的历史其实非常悠久，美国最早做产业化的公司叫Solid Power。国内开始做也就是最近四五年，宁德时代、日本丰田都在押注这个方向，一些头部企业和创业公司也都在布局。我个人认为硫化物应该是最有希望的方向，因为它的这些特性是其他电解质比不了的。
但硫化物也有挑战——对空气的稳定性比较差，跟水接触之后容易生成硫化氢，就是化学课上讲的那种臭鸡蛋味、有一定毒性的气体。所以目前主流研究方向之一就是怎么让硫化物电解质对水更稳定。这也意味着硫化物的加工要求非常高，对水分控制非常严格，目前还处在试量产或者工艺攻坚阶段。
氧化物电解质的历史也非常悠久，传统意义上的陶瓷大部分就是氧化物。它的优点是对空气稳定性好、加工要求相对低，但缺点是太硬，离子电导率太低，和电极材料的接触比较差——就像两块石头碰在一起，想让东西穿过去其实非常困难。所以氧化物现在大部分是跟聚合物或者电解液一起混合使用。比较统一的思路是：保留一定的电解液成分，然后加入氧化物电解质来提升安全性——这算是一种「曲线救国」的方案。你也可以这么理解：电池里液体含量越少，就越安全；增加固体比重、减少液体比重，就能一定程度上提升安全性。不过具体还要看氧化物加在哪儿——加在电极表面还是隔膜表面，不同位置在极端情况下都有可能提升安全性。氧化物体系里有代表性的公司是美国的上市公司QuantumScape，每年都会披露技术进展，做的就是氧化物、以及氧化物和电解液/聚合物复合的路线。
第三种路线是聚合物电解质，这是国内很多创新企业在做的方向。逻辑很简单：原来锂离子电池的电解液是一些有机小分子，像醚、碳酸酯等等；那我可以把这些小分子聚合起来，它就变成了固态形态的电解质，安全性或者说可燃性也会降低。塑料就是一种聚合物，而聚合物在电池里最经典的应用其实是隔膜——就是阻挡正负极接触的那一层，本质上是一个多孔的聚合物。
聚合物有个很大的优势：你可以把聚合反应——从小分子变大分子的过程——搬到电池内部进行。就是像注电解液一样，把单体(小分子)注到电极里，然后把电池稍微加热，聚合反应就在电池内部原位发生了。工业上经常把这条路线叫做「原位聚合」。
总的来说，硫化物从材料技术角度看是最有潜力的固态电池体系，但生产工艺还需要更多突破，跟现有锂离子电池的生产兼容性比较低；氧化物和聚合物这类复合路线则是在锂离子电池基础上做改进、提升安全性。两条路线目前还没分出胜负，产业和学界都是并驾齐驱。
Yaxian
2025年固态电池各种消息风风火火，宁德时代、比亚迪都说搭建了中试产线，但离真正量产其实还有距离。从理论可行到我们真能坐上固态电池驱动的车，中间的卡点是什么？
庞全全
我觉得有两件事需要解决。
第一是工艺和设备。回头看锂离子电池，从能做出非常好的电芯，到最终大家能接受、能上车，中间需要非常多的工艺结构改进。现有设备都是为液态锂离子电池设计的，真正量产固态电池，你需要大量公司专门去设计为固态电池服务的新设备，这需要反复的验证和迭代。
第二是综合性能的评估，我把它理解为安全性、成本和性能的一个三角关系。假设固态电池性能做得非常好，但成本过高，就很难进入市场。所以一定是先把技术做到最好，再通过规模化把成本降下来，最后还要对整体安全性进行长期评估——这样消费者才能接受这项新技术。
Yaxian
换个角度看，固态电池能量密度能比液态高一到两倍。但现在液态已经能跑800公里了，再高到1000、1500，真的有必要吗？有谁会一口气开这么远？
庞全全
这个问题非常好。其实过去两三年，大家开始意识到，对于乘用车的动力电池，没必要把能量密度推到极端。但提到这个，就要讲到低空经济——未来的无人机或eVTOL(垂直起降飞行器)，尤其是载人的，对电池能量密度的要求非常高，既要轻又要续航长。
还有智能机器人。现在的机器人比如宇树，用的大概还是普通锂离子电池，但未来机器人越来越智能，甚至要把训练和推理放到机身本地，整个机器人对能量的需求是成倍增加的。所以高能量密度电池，未来在这些场景里会非常关键。
Yaxian
那固态电池现在产业化做到什么程度了？如果0到10打分，您觉得到几分？
庞全全
6到7分吧。我记得宁德时代的曾毓群在2024年的一个大会上说是4分。我比他多两分，主要是因为这两年里，硫化物电池在工艺和电芯制作上确实有很大提高；另外，**固液混合电池（也就是半固态**）在过去两三年也有很大进步，现在很多公司已经有产品样件，甚至是半量产的电池。
Yaxian
半固态电池是固态电池的折扣版吗？是从液态到固态线性过程中的一个中间状态？
庞全全
它肯定不是一个简单的线性关系。半固态电池是在保留原有锂离子电池基本结构——也就是液态电解液结构——的基础上，加入一定量的固态电解质，去提高安全性。它在设备兼容度上非常高，所以现在很多公司已经可以量产半固态或固液混合电池。
全固态电池也不是说完全没有液体，而是指把液态电解液降到1%甚至更低的一个状态。因为安全性更高，对工艺要求也更高。但要记住，我们最终的目标是提高电池的安全性，而不是字面上一定要做到百分之几的固态。不同公司各显神通，有自己的路线来提升安全性——这个可能是判断的最大标准。
Yaxian
庞全全
实际上5到10年内，应该会有一些体系可以上车。因为从半固态、固液混合到全固态，只要能提高安全性，就有可能达到消费者的信赖。这个突破可能不是全固态电池的突破，但固态电解质的使用和工艺的提升，肯定能帮锂离子电池整体提高安全性。
Yaxian
除了固态电池，作为锂离子电池的替代或补充，还有哪些重要的技术方向？
庞全全
最重要的方向之一是钠离子电池。逻辑其实很简单——原来是锂离子作为在电池里来回跑的载流子，从元素周期表看，锂除了氢之外在最左上角，是最轻的；钠重一些，但钠元素更丰富，所以钠离子电池有希望进一步降低成本。它本质上还是有电解液的，只是不管正极、负极还是电解液里传导的离子都换成了钠。你可以理解为给电池「换血」，从以锂为主变成以钠为主。
钠离子电池走进大家视野大概是三四年前，那时候碳酸锂价格翻了好几番，钠离子电池的成本优势就显出来了。但现在它的成本其实还相对较高，因为整个材料体系和锂离子电池不一样，需要一个新的产业链，规模效应和工艺都还没达到成熟状态。
钠离子电池还有几个优势：一是低温性能好，在-40°C或-20°C时，容量保持比锂离子电池好，在低温场景更有优势；二是动力学好，钠离子半径比锂离子大，带电后电荷密度更低，反而在物质里跑得更快，所以充放电速度也可能更快。
宁德时代最近也发布了钠新电池，他们在钠离子上布局了很长时间。钠离子电池现在主要用在两轮电动车和储能场景——这些场景对能量密度没那么敏感，但对成本敏感。储能尤其如此，因为规模大，对低成本电池的需求特别强，钠离子电池的优势能发挥得更大。
除此之外，还有一些细分方向。
比如追求超高比能(也就是超高能量密度)的场景——eVTOL这类赛道对能量密度要求极高——对应的是锂金属电池，就是把负极的石墨换成锂金属。锂金属是负极里能量密度能做到最高的极限材料，所以电池能量密度甚至能做到500 Wh/kg以上。
正极这边也有新方向，比如锂硫电池——我们课题组过去几年一直在做。它的正极不用磷酸铁锂，也不用三元，而是用单质硫。硫有两个优势：一是非常轻，不是金属，能量密度可以做得更高；二是成本更低，因为单质硫是石油化工的副产物。所以锂硫电池是一个高比能且有可能低成本的体系。
还有一个赛道是低成本电池，主要面向储能，包括铝电池、锌电池等等，把负极材料从锂换成储量丰富得多的铝、锌，甚至铁，成本能做得更低。
Yaxian
这些看起来小众的方向，其实都有公司在做。比如您之前提到美国的SES和Lyten。
庞全全
对。SES主要做锂金属电池，目标是做到更高能量密度。除了SES之外，国内、美国、欧洲都有不少公司在这个赛道，因为它对低空经济非常重要。
Lyten是美国一家做锂硫电池的公司。它最早是做石墨烯材料的，后来发现石墨烯在锂硫电池里作用很大，就转头押注锂硫电池。Lyten应该是全球范围内规模最大的锂硫电池开发公司。他们目前主要在研发阶段，但几个月前接手了欧洲的一些工厂进行产业化，同时也在航空航天领域有了一些产品。
Yaxian
庞全全
中国的创业公司主要有两个方向。一是把现有锂离子电池产业链的每一环做到极致，嵌进已有产业链里；二是固态电池，去做一些新的体系。
美国的逻辑不太一样——他们的创业公司现在有一个共同出发点，就是要摆脱对中国产业链和供应链的依赖。因为中国在整个锂离子电池产业链上做得非常完备，所以美国的创业者想开拓一些新体系，任何和现有锂离子电池不同的体系，都是他们押注的赛道。
我觉得这里面政策因素更多一些。如果没有政策因素，他们完全可以跟我们做一样的事情，围绕锂离子电池也一定能做出很好的突破。但确实，去年美国有政策禁止自己和一些盟友进口或采购中国的电池产品，中国也有政策限制一些高端锂电池产品和技术输出到国外。特朗普上台后削减了一部分新能源补贴，美国的新能源发展也遇到了一些阻碍，他们的创业公司现在整体还处在技术储备阶段。
Yaxian
最近几年发展特别快的一个领域是储能。2025年储能带来的电池需求增速是电动车的两倍，去年12月中国单月储能装机量占到当月电池总需求的45%，全球有150个吉瓦级储能项目在排队等2026年上线。为什么储能的需求会这么大？主要应用场景是什么？
庞全全
储能的需求是多方面的。
国内最主要的驱动力是提高风光等可再生能源的占比。风光资源有间断性——太阳能白天强、晚上没有——要提高渗透率，就必须配一定规模的储能电池，把电能存起来，需要时再释放。所以储能电池最大的应用场景，就是配合风光电站。
国外的驱动力也类似。最近几年从俄乌战争到其他地区冲突，欧洲对传统石油价格波动深受其害，所以一些家庭、园区开始购置太阳能板加储能电池组合，来降低能源成本。
另一个新增的大需求来自AI数据中心。AI数据中心对电能有两个特征：
一是波动性非常大。有时候训练，有时候推理，负载忽高忽低，需要调节——而储能是最重要的调节方式之一。
二是需要零间断。数据中心对突然断电的容忍度非常低。传统电网本身是一个非常稳定的状态，要把平稳的电用到一个波动性极大的需求场景，中间需要储能来调节——也就是俗称的削峰填谷。所以储能在AI场景里，不仅仅是「存储」，更是「通过存储来调节」。
还有一个趋势是，未来各国都希望提高AI数据中心的绿电比例——我们不希望AI把所有电都占掉，还要留给民生。所以未来风光供给AI数据中心，中间也需要大量储能。
(根据国际能源署预测，到2030年全球数据中心电力消耗将增长一倍以上，达到近1000太瓦时，相当于日本当前全国用电量。)
Yaxian
庞全全
主要有两点。
第一，对成本极度敏感。储能用的电池容量远大于一辆车的电池，用量巨大，成本就显得尤为重要。
第二，对循环寿命要求更高。电动车几百次循环就能满足消费者需求，储能电池可能需要上万次甚至几万次——因为电动车可能一周充放一次，储能电池每天可能要用好几次。
产业上的逻辑其实很简单，就是从现有动力电池体系里找能直接用来储能的。磷酸铁锂电池、钠离子电池都可以直接拿来做储能。当然材料一样不代表电芯完全一样，内部结构、能量密度和成本的调控还是要针对储能做优化——把一个高比能的版本通过成分占比或结构调整改造成低成本版本。
除了这些，还有一些新的体系可以尝试做储能，比如液流电池。液流就是液态、流动的电池，液体里溶解了可以提供电量的物质。因为它是流动的，电极可以换成一个很大的罐子，所以容量可以做得非常大。
Yaxian
庞全全
储能赛道相对于动力电池，是一个更加开放的赛道。一方面它对成本极度敏感，反而给了我们空间和耐心去寻找更低成本的体系；另一方面它是一个长周期的场景，未来10年、20年甚至更长时间都有巨大需求，对整个电池研究和产学研都提供了更大空间。
未来很多体系都可以探索在储能场景的应用。比如刚才提到的铝电池——铝本身非常便宜、丰富，而且工业体系非常成熟，所以铝电池非常有优势。最近也有一些铁空气电池的报道，它用铁作为负极，成本可以做得更低，美国已经有几家公司在把铁空气电池用于电网储能的示范应用。
Yaxian
现在大家常说「AI for Science」，AI能助力电池研究吗？您的科研过程中有用到AI工具吗？
庞全全
电池可以服务AI，AI也可以反过来服务电池研究。主要在两个方向：
一是新材料的开发。未来肯定需要新的化学体系、新的材料、新的分子，而参数空间非常大，要探索那么多分子，AI可以加快材料开发的速度。
二是电池管理。电池是一个复杂体系，运行过程中需要实时监控，出现异常时提前预警，整个寿命周期内的健康评估也是一个复杂的非线性过程。AI通过大数据手段可以做有效的监控和预警，提升安全性。
我们实验室这两块都有涉足。一是用AI算法帮助电解液分子的开发，更快找到新的电解液；二是和一些企业合作，用AI做电池管理预警。比如一个储能电站有那么多电池，能不能精准提前预测到「哪一块电池马上要坏了」，赶紧隔离？或者「哪一块电池温度急剧上升、马上要起火」，赶紧定位？
Yaxian
为什么这块需要AI？没有AI做不到吗？
庞全全
因为电池是否出问题，可能不是单一参数决定的——电压升高、阻抗降低、温度升高，这些参数可能要组合起来，到达一定阈值才说明有风险。需要长期、大规模的数据训练，才能提高预测的准确率——它不是「温度升高就一定会炸」这么直观，背后可能是非常复杂的参数组合。
Yaxian
AI for新材料发现现在有什么已经被验证的加速效果吗？我为什么这么问——AI for Drug Discovery也很热，但很多被claim「能治病」的分子，实际没在实验室验证，或者来不及做临床。材料领域会不会也有类似问题？
庞全全
你说的这个现象在电池里也存在。原因一样——电池材料的验证是一个非常复杂的多环节过程，从材料到电芯组装到工艺，预测能否准确需要很长的验证过程，这个逻辑和药物是一样的。
另一个原因是，目前电池领域的数据量还不够大，不管是文献数据还是产业数据。所以现在还没有特别好的案例能证明AI明确加速了电池材料的开发——因为电池本身确实是一个比较复杂的系统。
