按电解质种类，锂电池技术体系可分为液态电解质锂电池、混合固液电解质锂电池和全固态电解质锂电池3大类，其中液态电解质锂电池不含固态电解质，只含液体电解质，包括有机电解液、水系电解质、凝胶电解质等；混合固液电解质锂电池同时含有固态电解质和液体电解质，包括半固态电解质、准固态电解质、固态电解质电池；全固态电解质电池不含液体电解质，只含固态电解质，可进一步分为氧化物、硫化物、聚合物全固态电池和复合电解质全固态电池。发展固态电池的目的是为了进一步提高锂离子电池的能量密度、安全性、循环寿命、日历寿命、环境适应性。一般把准固态、固态和全固态电池简称为固态电池。目前主要研究固态电解质材料、匹配正负极材料、界面反应和离子电子输运、结构演化、电极和电芯设计以及相关的电化学、力学、热与安全、产气等行为。固态电池领域的研究涉及关键材料、界面、电芯设计与热力学、动力学、安全性等研究。

锂电池领域中，固体电解质特指具有良好离子传输性能的锂离子导体。固体电解质包括氧化物、硫化物、聚合物固体电解质等 3类。

氧化物固体电解质包括钙钛矿型、NASICON 型、LiSICON 型、石榴石型、非晶态氧化物电解质（LIPON）等。其中Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃（LATP）和 Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃（LAGP）获得了广泛的研究。LATP 型固体电解质具有较高的离子电导率，Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃ 的室温离子电导率达到7×10^-4 S/cm，具有重要应用价值。Li_1.5Al_0.4Cr_0.1Ge1.5(PO₄)₃ 的玻璃陶瓷快离子导体离子电导率达到6.65×10^-3 S/cm。立方相 Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）石榴石型固体电解质25℃下电导率达到3×10^-4 S/cm，Ta 掺杂的 Li_7-xLa₃Zr_2-xTaxO₁₂ 在室温下的离子电导率达到了10^-3 S/cm, 其电化学窗口在0~5 V。目前研究关注进一步的掺杂改性以及与金属锂和正极的界面反应。

硫化物电解质具有较高的离子电导率，低的电子电导（nS/cm）和高的离子迁移数。Li₁₀GeP₂S₁₂（LGPS）27℃的离子电导率达1.2×10^-4 S/cm。Li_9.54Si_1.74P_1.44S_11.7Cl_0.3 在27℃下离子电导率达到25 mS/cm，是目前所报道的具有最高锂离子电导率的快离子导体。硫化物电解质对水和氧不稳定，与空气中的水蒸气反应生成有毒的硫化氢气体，硫化物固体电解质的储存、运输以及电池制备过程必须在干燥的气氛下进行。大量的基础研究在于如何提高水稳定性以及理解和设计更高离子电导率的电解质，以及与各类正负极材料的界面反应和输运特性。

聚合物固态电解质中，聚环氧乙烷（PEO）和聚环氧丙烷（PPO）具有相对较高的离子电导率，60℃ 能达到 1 mS/cm，其局限性是耐氧化电位低于3.9 V，不能防止锂枝晶穿刺。近些年，聚合物-无机复合固体电解质得到了广泛的研究，弥补了室温离子电导率和机械特性差的不足。通过正极材料的界面无机固态电解质包覆等策略，可以有效防止聚合物电解质在界面充电态被氧化。

目前正在开展各类锂离子电池的正负极材料与各类固态电解质的界面反应、界面结构、界面输运、电化学稳定性、热稳定性、力学问题研究。其中金属锂负极、复合金属锂负极、纳米硅与微米硅负极、高镍三元正极、钴酸锂正极等获得广泛的研究。高倍率、高能量密度的原理电池都已研制出来，但目前尚未形成较为成熟的材料体系匹配解决方案，仍需大量的基础研究。

目前固态电解质的室温离子电导率已经达到 1~25 mS/cm， 研究人员已经充分认识到，限制固态电解质应用的主要问题是界面物理接触差、界面反应产生不利离子传输的界面层，导致界面巨大的离子传输阻抗以及一些体系中的界面空间电荷层存在影响离子输运。此外，循环过程中，正负极颗粒会发生显著的体积膨胀收缩，不具备液态电解质流动性和界面润湿性的固态电解质如何在长期循环中保持良好的界面接触是本领域研究的热点，各类界面修饰方案、原位固态化、施加外部压力是主要研究方向。

全固态电池重点需要解决循环过程中的界面离子电阻以及如何与高电压正极、金属锂负极匹配的问题。(1) 聚合物全固态电池已实现批量化生产，采用聚环氧乙烷 (PEO)-LiTFSI(LiFSI) 固态电解质，60℃ 以上高温下离子电导率高、易成膜、易加工、弹性好等，但其氧化电位在 3.8 V 附近，因此钴酸锂、尖晶石等高能量密度正极材料无法与之匹配。除了正极侧氧化，金属锂负极侧的枝晶问题也是一大挑战。开发耐高压、室温离子电导高、可抑制锂枝晶穿刺的聚合物电解质是目前主要的研究方向，但尚未取得实质性突破，这类技术商业化基本失败。未来的开发方向是降低正极材料的表面氧化能力，从而匹配不耐氧化的聚合物电解质。(2) 氧化物全固态电池中目前小尺寸纽扣电池大小的 LiPON 固态电池已实现小批量生产，但由于超薄陶瓷膜机械性能差，且 LIPON 只能用物理气相沉积法制备，无法制作低成本大容量电芯。氧化物固态电解质如果以陶瓷片作为隔膜，其室温电导率偏低、与电极界面相容性差、电解质片容易脆裂、电解质与电极颗粒接触差、界面阻抗大、大容量电芯很难制备。目前大量的基础研究集中在研究金属锂与固态电解质的稳定性，完全采用氧化物电解质的全固态电池尚未有更好的解决方案。通过与聚合物复合制膜、粉末颗粒凝胶涂层、低温制备非晶态膜、正极颗粒包覆等手段，预期会有较大改善。 (3) 硫化物全固态电池目前已经研制出不少样品，包括10 Ah 级的软包电芯，能量密度达到了400 Wh/kg, 在压力之下循环性达到了800次以上，但目前还未解决无压力或低压力下的循环性、安全性、膨胀控制等问题，安全性问题的研究还不够系统，需要进一步的基础研究。

混合固液电池同时含有固态电解质和液体电解质，具体包括半固液电解质电池、准固态电解质电池、固态电解质电池 3种，电芯中液体所占质量分数为1 wt% ~ 10 wt%。混合固液电解质锂电池可以在传统液态锂电池的基础上，通过多种方式在电芯中引入部分固态电解质实现，具体方案包括：(1) 电极颗粒表面包覆了薄层固态电解质；(2) 隔膜和电极孔隙中添加固态电解质粉体或聚合物电解质；(3) 湿法制极片过程中液体电解质转换为固体电解质；(4) 电芯注入电解液后液态电解质通过化学方法转化为固体电解质；(5) 液体电解质通过电化学反应在电芯内原位转化为固态电解质。混合固液电解质电池的电解质实际包括液态电解质、聚合物电解质、无机物电解质。通过优化设计，能够平衡电池的综合技术指标要求，相对于现有的液态锂离子电池，可以匹配更高电压和容量的正负极材料。目前中国科学院物理研究所提出的“原位固态化”技术，在电芯中先通过注液保持电解质与电极材料良好的物理接触，再通过化学或电化学反应原位将液体部分或全部转化为固态电解质，综合解决了固态电池中的高电压、安全性、固固界面接触、电极体积变化、锂枝晶生长等问题。基于原位固态化技术开发的车用混合固液电池，比能量达到 360 Wh/kg，循环寿命达到 800次，110 Ah 电芯可顺利通过针刺等安全性测试，2022年将批量生产和应用。台湾辉能科技也提出了“混成固态”的概念。在基础研究方面，原位固态化、采用各类混合固液的电池体系，界面反应，离子输运的研究都在广泛开展，是最活跃的研究方向。在全固态锂电池技术尚未完全突破的情况下，混合固液电解质电池兼容传统液态锂电池的大部分材料、设备和工艺，综合平衡安全性、能量密度、功率密度、循环寿命、高低温性等性能，将率先实现商业化，可以替代传统的液态锂电池。

总体来看，2010－2019年中国在固态电池领域取得了飞速进步，WoS 论文数量从2010－2014年的794篇上升至2015－2019年的3 369篇，增长了约3倍，在两个5年期中国均稳居世界第1位；从表征学术影响力的论文被引频次来看，中国也从前5年的世界第2位提升至后5年的第1位；从代表重要成果的高被引论文来看，中国从前5年的5篇增长到后5年的52篇，相应的排名也从世界第3位提升到第1位，但其对于第2名美国的领先优势（2015－2019 年约为美国的1.2倍），相比其论文产出规模（同期约为美国的1.7倍）则大幅缩小（见表1）。

过去10年，中国是固态电池领域发表 WoS 论文最多的国家，在各类电解质材料、各类固态电池的基础研究方面，为全球最活跃的国家，在一些关键的基础科学问题、材料设计、电池解决方案方面，提出了重要的原创的想法，具有重要的价值。中国科学院物理研究所在 2015－2021年提出了原位固态化、纳米固态电解质包覆正极材料、界面预锂化方案、低膨胀纳米硅碳负极材料、界面热复合等综合解决方案，目前已经研制了能量密度达到360 Wh/kg 的固态锂离子电池，循环性达到800次以上，并满足其他各类指标要求，预计2022年底可以实现批量装车。此外，通过创新的正负极材料解决方案，在2020年国家科学技术委员会组织的未来储能技术挑战赛中，已经实现了0.1 C下 610 Wh/kg, 1 834 Wh/L, 5 C 下 545 Wh/kg 和 1 704 Wh/L 的世界纪录。中国科学院物理研究所还同时深入研究了氧化物固态电解质与金属锂和正极的热失控行为以及利用材料基因组算法预测新的固态电解质 LiAlSO。上海空间电源研究所2021年开发了全新的 Li₃Zr₂Si₂PO₁₂ 氧化物电解质，是目前氧化物离子电导率最高，且电化学窗口最宽的材料，具有非常重要的应用前景。中国科技大学马骋团队开发了 Li₂ZrC_l6 电解质，能够适应5 V 正极，离子电导率达到了0.8 mS/cm，该电解质还可以液相合成，未来也具有重要的应用前景。中国科学院物理研究所吴凡团队开发了水稳定的硫化物电解质，离子电导率达到了1 mS/cm。吉林大学于吉红团队开发了空气稳定的锂离子交换沸石 X（LiX）膜电解质，为固态锂空气电池研究打下了关键基础。中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊团队开发了安全增强聚碳酸丙酯基全固体聚合物电解质，使用这种固体聚合物电解质的磷酸铁锂 / 锂电池即使在120℃下也能充放电。中国科学院化学研究所郭玉国团队开发了光聚合制备的聚醚 - 丙烯酸酯互穿网络（ipn-PEA）电解质，具有高机械强度（约 12 GPa）和高室温离子电导率0.22 mS/cm。南开大学陈军团队开发了聚甲基丙烯酸酯（PMA）/ 聚乙二醇（PEG）- LiClO₄ - 3 wt% SiO₂复合聚合物电解质，离子电导率为 0.26 mS/cm，演示了有机固态电池。总体来说，中国在固态电池的研究覆盖面广，更多解决固态电池应用面临的实际问题。中国顶尖的课题组也掌握了各类先进的测试、表征和计算的研究手段。

展望未来，固态电池必将是电池领域最热门的研究方向，新的电解质、电极以及辅助材料、新的界面解决方案、材料与电极的力学、热学、输运、反应的热力学与动力学问题、电芯的整体设计与解决方案的研究会更加深入。同步辐射光源、中子散裂源、冷冻球差电镜、时间分辨光谱技术、扫描探针技术、动态热测量技术等先进的试验手段，第一性原理、多原子计算、高通量计算、大数据分析、人工智能分析等计算方法，标准化的测试评价方法，智能正交化实验手段，甚至全自动机器人试验手段都有可能在固态电池的基础科学问题上获得应用。针对不同的应用场景开发的各类固态电池也会不断涌现，形成非常活跃的研究领域。

在过去的5年里，我国的固态锂电池基础科学研究和关键技术攻关保持着持续发展、高速增长的动力。相比于传统液态锂离子电池，固态动力电池已经在综合性能方面展现出了一定的优势，特别是能量密度，大容量软包电芯已经达到了360 Wh/kg，使得乘用车一次充电可以行驶 1 000 km，2022年即将投入量产。长寿命固态储能锂离子电池已经进行了初步的示范。可以预见固态电池将成为未来动力和储能电池发展的必经之路。未来2~3年内，混合固液动力电池将率先进入市场，未来6~8年，全固态电池将有望开发成功。围绕着混合固液电解质电池以及全固态电池，新的硫化物、反钙钛矿、卤素、氧化物无机固态电解质，聚合物固态电解质，原位聚合电解质，原位固态化技术，纳米尺度的固态电解质界面解决方案，以及配套高能量密度固态电池的高镍正极材料、富锂锰基正极材料、磷酸铁锰锂正极材料、尖晶石镍锰正极材料、纳米硅碳负极材料、微米硅负极材料、锂碳复合负极材料、耐高温隔膜基膜，单臂碳管、石墨烯、超弹性粘接剂、新型集流体、自修复材料、阻燃类添加剂都会逐步研究成熟，进入市场。

目前，全球在固态电池研发方面的竞争日趋激烈，政府和社会资本以及参与团队高度重视，欧洲、日本、美国、韩国在固态电池领域都已启动重大项目，投入巨资增强研发，包括欧洲的 Battery2030+，日本的 RISING(III)、Solid-EV，美国的 Battery 500、 JESER(II)。我国需要加强在固态电池方面的高通量计算、大尺度动力学计算、材料力学、人工智能、高空间时间分辨多尺度在线检测分析方法、电池材料精准制备、新一代的固态电池材料及电池设计与制造方法、热失控条件与机理、以及创新材料体系和电芯设计的研究。可以参考欧美日，建立国家级的先进固态电池创新中心、产学研联盟，充分利用国家实验室、国家重点实验室、龙头企业和初创企业研发中心的研发能力，共同推动固态电池的原始创新和基础科学问题的深入研究，为我国在这一兵家必争领域继续取得优势奠定基础。