陶瓷隔膜：固态电池安全“护城河”的筑造者

近期村田制作所株式会社与QuantumScape Corporation就共同探讨用于QuantumScape固态电池技术的陶瓷隔膜量产化合作达成一致，双方将结合村田制作所在陶瓷制造领域的技术专长与QuantumScape的创新电池技术，共同推进固态电池所需陶瓷隔膜的量产化进程。现如今在电动汽车、储能电站等场景中，固态电池正以“高能量密度 本质安全”的优势掀起技术革命。而在这场革命中，陶瓷隔膜犹如电池的“安全护盾”，通过抑制锂枝晶、阻隔热失控、提升离子传导效率，为固态电池的可靠性保驾护航。一块指甲盖厚的陶瓷片，竟能让电动汽车续航提升50%？这并非科幻，而是固态电池中陶瓷隔膜带来的革命。本文主要对固态电池中的陶瓷隔膜进行简略介绍：

1. 为什么需要陶瓷隔膜？

传统液态电池隔膜（如PE/PP）在高温下易熔融收缩，导致正负极短路，例如传统锂电池使用的液态电解液，存在易燃易漏的风险。

图1 锂离子电池工作原理示意图（来源锂电邦）

而固态电池虽采用固态电解质，但界面阻抗高、锂枝晶穿刺风险仍存。相比之下，陶瓷隔膜的引入，通过以下特性解决了这些痛点：

（1）耐高温：陶瓷材料（如氧化铝、勃姆石）的熔点普遍超过1500℃，可承受300℃以上高温而不失效，能让电池在极端环境下依然安全稳定；

（2）抗穿刺：陶瓷颗粒硬度高（勃姆石莫氏硬度3.5），可有效阻挡锂枝晶刺穿；

（3）化学稳定：与固态电解质兼容，避免副反应，显著延长了电池的使用寿命；

（4）功能复合：部分陶瓷材料（如LATP）兼具离子传导性，可优化界面阻抗。

这些特性使得陶瓷隔膜成为固态电池不可或缺的核心组件。

2. 陶瓷隔膜的材料类型及结构工艺

（1）材料类型：

（2）结构：

涂覆型陶瓷隔膜：在聚烯烃基膜（PE/PP）表面涂覆500nm-4μm厚的陶瓷层，提升耐热性（耐温>200℃）。

复合型陶瓷隔膜：将陶瓷颗粒与聚合物电解质复合，形成三维离子传导网络。

全陶瓷固态电解质：直接使用NASICON型（如LLZO）或石榴石型（如LLTO）陶瓷作为隔膜，彻底消除液态电解液。

（3）工艺：

涂覆工艺：采用微凹版辊涂布或条缝挤压涂布，实现单面/双面陶瓷层均匀覆盖。例如，勃姆石涂层厚度可精确控制在1-2μm，兼顾安全与能量密度。

烧结技术：通过高温烧结（800-1200℃）使陶瓷颗粒与基膜紧密结合，形成致密层。例如，天目先导量产的LATP粉体，粒径D50为4μm，烧结后离子电导率超0.1mS/cm。

界面调控：在陶瓷层与电极间引入人工SEI膜或快离子导体（如LiTFSI），降低界面阻抗。

3. 陶瓷隔膜当前在固态电池市场的现实案例

案例1：辉能科技全固态电池

中国台湾的电池制造商辉能科技（ProLogium Technology Co）于2024年8月14日在美国芝加哥举办的固态电池峰会上由相关人士介绍了公司最新的无隔膜次世代电池技术，该技术的核心在于创新的“无隔膜”陶瓷隔层设计。这一设计不仅显著提升了电池的能量密度和快充能力，还展现了广泛的适用性和高量产潜力。传统电池通常采用隔膜来分隔电极，而辉能科技则创新地引入了“陶瓷隔层”设计，提升电池安全性的同时还为其带来了广泛的适用性。这种设计不受传统电池化学系统和材料的限制，使得电池的能量密度和充电速度得以显著提升。

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据了解，辉能科技的这一创新技术已经获得了德国莱茵实验室的权威认证。根据报告显示，辉能的次世代锂陶瓷电芯在体积能量密度上达到了749Wh/L，重量能量密度为321Wh/kg，同时具备5分钟内从5%充至60%，以及5分钟内从5%充至80%的快充能力。

案例2：QuantumScape无负极固态电池

总部位于硅谷的QuantumScape公司自2010年成立以来便致力于固态锂离子电池的研究。经过十多年的潜心研发，他们终于推出了世界上首款无负极固态电池。通过创新设计，该司引入了一种固态陶瓷隔膜。在首次充电过程中，这种隔膜与负极导电层相互作用，进而在两者之间生成锂金属负极，从而实现了无负极固态电池的构造。这一设计不仅简化了电池结构，还有效防止了锂枝晶的形成，进一步确保了电池的安全性。此外，全固态的电池设计也从根本上解决了燃爆问题。在电池放电时，锂金属层会逐渐消失，而电池结构的设计也相应地进行了特殊处理以适应这一变化。

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这个固态陶瓷隔膜，也就是氧化物，其厚度仅有约20微米，远小于头发丝的直径，堪称这款电池的核芯技术。经过长达10余年的研发与逾3亿美元的投入，才最终得以验证其有效性，并申请了200余项专利以作保护。

从实验室逐步走向产业化，陶瓷隔膜技术经历着创新与变革，也在以“材料-工艺-应用”的三重突破推动着固态电池向更高能量密度、更低成本、更安全的方向进化。它不仅代表着材料科学的进步，更为行业描绘了一个更安全、更持久的能源未来。

随着今后纳米陶瓷技术、3D打印工艺的成熟，陶瓷隔膜或将成为固态电池全面替代液态电池的“关键钥匙”。或许将来正是这片看似普通的陶瓷，将彻底改变我们的用电方式，让"一周一充"的智能手机和"续航千公里"的电动汽车成为现实。