近期村田制作所株式會社與QuantumScape Corporation就共同探討用于QuantumScape固態(tài)電池技術(shù)的陶瓷隔膜量產(chǎn)化合作達(dá)成一致，雙方將結(jié)合村田制作所在陶瓷制造領(lǐng)域的技術(shù)專長與QuantumScape的創(chuàng)新電池技術(shù)，共同推進(jìn)固態(tài)電池所需陶瓷隔膜的量產(chǎn)化進(jìn)程。現(xiàn)如今在電動汽車、儲能電站等場景中，固態(tài)電池正以“高能量密度 本質(zhì)安全”的優(yōu)勢掀起技術(shù)革命。而在這場革命中，陶瓷隔膜猶如電池的“安全護(hù)盾”，通過抑制鋰枝晶、阻隔熱失控、提升離子傳導(dǎo)效率，為固態(tài)電池的可靠性保駕護(hù)航。一塊指甲蓋厚的陶瓷片，竟能讓電動汽車?yán)m(xù)航提升50%？這并非科幻，而是固態(tài)電池中陶瓷隔膜帶來的革命。本文主要對固態(tài)電池中的陶瓷隔膜進(jìn)行簡略介紹：

1. 為什么需要陶瓷隔膜？

傳統(tǒng)液態(tài)電池隔膜（如PE/PP）在高溫下易熔融收縮，導(dǎo)致正負(fù)極短路，例如傳統(tǒng)鋰電池使用的液態(tài)電解液，存在易燃易漏的風(fēng)險。

圖1 鋰離子電池工作原理示意圖（來源鋰電邦）

而固態(tài)電池雖采用固態(tài)電解質(zhì)，但界面阻抗高、鋰枝晶穿刺風(fēng)險仍存。相比之下，陶瓷隔膜的引入，通過以下特性解決了這些痛點：

（1）耐高溫：陶瓷材料（如氧化鋁、勃姆石）的熔點普遍超過1500℃，可承受300℃以上高溫而不失效，能讓電池在極端環(huán)境下依然安全穩(wěn)定；

（2）抗穿刺：陶瓷顆粒硬度高（勃姆石莫氏硬度3.5），可有效阻擋鋰枝晶刺穿；

（3）化學(xué)穩(wěn)定：與固態(tài)電解質(zhì)兼容，避免副反應(yīng)，顯著延長了電池的使用壽命；

（4）功能復(fù)合：部分陶瓷材料（如LATP）兼具離子傳導(dǎo)性，可優(yōu)化界面阻抗。

這些特性使得陶瓷隔膜成為固態(tài)電池不可或缺的核心組件。

2. 陶瓷隔膜的材料類型及結(jié)構(gòu)工藝

（1）材料類型：

（2）結(jié)構(gòu)：

涂覆型陶瓷隔膜：在聚烯烴基膜（PE/PP）表面涂覆500nm-4μm厚的陶瓷層，提升耐熱性（耐溫>200℃）。

復(fù)合型陶瓷隔膜：將陶瓷顆粒與聚合物電解質(zhì)復(fù)合，形成三維離子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。

全陶瓷固態(tài)電解質(zhì)：直接使用NASICON型（如LLZO）或石榴石型（如LLTO）陶瓷作為隔膜，徹底消除液態(tài)電解液。

（3）工藝：

涂覆工藝：采用微凹版輥涂布或條縫擠壓涂布，實現(xiàn)單面/雙面陶瓷層均勻覆蓋。例如，勃姆石涂層厚度可精確控制在1-2μm，兼顧安全與能量密度。

燒結(jié)技術(shù)：通過高溫?zé)Y(jié)（800-1200℃）使陶瓷顆粒與基膜緊密結(jié)合，形成致密層。例如，天目先導(dǎo)量產(chǎn)的LATP粉體，粒徑D50為4μm，燒結(jié)后離子電導(dǎo)率超0.1mS/cm。

界面調(diào)控：在陶瓷層與電極間引入人工SEI膜或快離子導(dǎo)體（如LiTFSI），降低界面阻抗。

3. 陶瓷隔膜當(dāng)前在固態(tài)電池市場的現(xiàn)實案例

案例1：輝能科技全固態(tài)電池

中國臺灣的電池制造商輝能科技（ProLogium Technology Co）于2024年8月14日在美國芝加哥舉辦的固態(tài)電池峰會上由相關(guān)人士介紹了公司最新的無隔膜次世代電池技術(shù)，該技術(shù)的核心在于創(chuàng)新的“無隔膜”陶瓷隔層設(shè)計。這一設(shè)計不僅顯著提升了電池的能量密度和快充能力，還展現(xiàn)了廣泛的適用性和高量產(chǎn)潛力。傳統(tǒng)電池通常采用隔膜來分隔電極，而輝能科技則創(chuàng)新地引入了“陶瓷隔層”設(shè)計，提升電池安全性的同時還為其帶來了廣泛的適用性。這種設(shè)計不受傳統(tǒng)電池化學(xué)系統(tǒng)和材料的限制，使得電池的能量密度和充電速度得以顯著提升。

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據(jù)了解，輝能科技的這一創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)獲得了德國萊茵實驗室的權(quán)威認(rèn)證。根據(jù)報告顯示，輝能的次世代鋰陶瓷電芯在體積能量密度上達(dá)到了749Wh/L，重量能量密度為321Wh/kg，同時具備5分鐘內(nèi)從5%充至60%，以及5分鐘內(nèi)從5%充至80%的快充能力。

案例2：QuantumScape無負(fù)極固態(tài)電池

總部位于硅谷的QuantumScape公司自2010年成立以來便致力于固態(tài)鋰離子電池的研究。經(jīng)過十多年的潛心研發(fā)，他們終于推出了世界上首款無負(fù)極固態(tài)電池。通過創(chuàng)新設(shè)計，該司引入了一種固態(tài)陶瓷隔膜。在首次充電過程中，這種隔膜與負(fù)極導(dǎo)電層相互作用，進(jìn)而在兩者之間生成鋰金屬負(fù)極，從而實現(xiàn)了無負(fù)極固態(tài)電池的構(gòu)造。這一設(shè)計不僅簡化了電池結(jié)構(gòu)，還有效防止了鋰枝晶的形成，進(jìn)一步確保了電池的安全性。此外，全固態(tài)的電池設(shè)計也從根本上解決了燃爆問題。在電池放電時，鋰金屬層會逐漸消失，而電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計也相應(yīng)地進(jìn)行了特殊處理以適應(yīng)這一變化。

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這個固態(tài)陶瓷隔膜，也就是氧化物，其厚度僅有約20微米，遠(yuǎn)小于頭發(fā)絲的直徑，堪稱這款電池的核芯技術(shù)。經(jīng)過長達(dá)10余年的研發(fā)與逾3億美元的投入，才最終得以驗證其有效性，并申請了200余項專利以作保護(hù)。

從實驗室逐步走向產(chǎn)業(yè)化，陶瓷隔膜技術(shù)經(jīng)歷著創(chuàng)新與變革，也在以“材料-工藝-應(yīng)用”的三重突破推動著固態(tài)電池向更高能量密度、更低成本、更安全的方向進(jìn)化。它不僅代表著材料科學(xué)的進(jìn)步，更為行業(yè)描繪了一個更安全、更持久的能源未來。

隨著今后納米陶瓷技術(shù)、3D打印工藝的成熟，陶瓷隔膜或?qū)⒊蔀楣虘B(tài)電池全面替代液態(tài)電池的“關(guān)鍵鑰匙”。或許將來正是這片看似普通的陶瓷，將徹底改變我們的用電方式，讓"一周一充"的智能手機(jī)和"續(xù)航千公里"的電動汽車成為現(xiàn)實。