半固態電池（semi-solid flow cell，SSFC；全稱：輕型半固態流體鋰離子充電電池），其概念于20世紀70年代提出，2011年由美國麻省理工學院科學家研制出早期技術，2023年起進入產業化加速階段的一種新型半固態液流電池。
電動汽車的發展受到電池技術的制約，主要問題在于電池的體積大、成本高昂以及空間利用率低下。此外，傳統的電池組結構復雜，由數百個電池單體組成，每個電池單體又包含多個固體電極。而這款半固態電池減少了普通電池內的“無效材料”，提高了電池的能效。它的成本為電動汽車所用電池的三分之一，卻能讓電動汽車一次充電的行駛里程加倍。在半固態電池中，電極是由微小的鋰化合物粒子與液態電解液混合而成的泥漿狀物質構成。半固態電池已經應用于無人機、新能源汽車、智能穿戴設備等領域。
半固態電池工作時，會運用兩束這樣的泥漿流，其中一束帶有正電荷，另一束帶有負電荷。這兩束泥漿流都通過鋁集電器和銅集電器，而在兩者之間，有一個能透水的膜。當兩束泥漿流經這個膜時，鋰離子會進行交換，導致電流在外部流動。當電池需要充電時，只需施加一個反向電壓，使得離子反向穿過膜，回到它們原本應該所在的泥漿流中。
產生背景
fcv的發展受到電池技術的制約，主要問題在于電池的體積大、成本高昂以及空間利用率低下，非常耗電，使得電池非常笨重。以日產聆風為例，其電池內部的三分之二體積充斥著起結構支撐作用的非電力生成材料。此外，傳統的電池組結構復雜，由數百個電池單體組成，每個電池單體又包含多個固體電極。這些電極上附著金屬箔集電器，并通過塑料薄膜進行隔離。若要提高電池的儲能能力，就必須增加電極材料的數量，這導致需要更多的金屬箔和塑料薄膜。
麻省理工學院陶瓷工藝教授、24M公司聯合創始人、A123電池公司前創始人之一的蔣業明(Yet-Ming Chiang，音譯)與同事提出了“液流電池”的概念，以帶有細微顆粒的懸浮液作為電極，通過泵送的方式在電池中循環。
工作原理
在常規電池中，離子在液體或粉末電解液中穿梭于兩個固體電極之間，從而驅動電子在連接電極的外部導線上流動，產生電流。半固態電池中，電極是由微小的鋰化合物粒子與液態電解液混合而成的泥漿狀物質構成。電池工作時，采用兩束這樣的泥漿流，其中一束攜帶正電荷，另一束攜帶負電荷。這兩束泥漿流都流經鋁集電器和銅集電器，兩個集電器之間有一個能透水的膜。當兩束泥漿流經這層膜時，它們之間會發生鋰離子的交換，導致電流在外部流動。若要重新為電池充電，只需施加一個反向電壓。這一電壓促使離子反向穿越膜層，回到它們原本所在的泥漿流中。
基本結構
電池中任一側電極不含液體電解質，另一側電極含有液態電解質。或者單體中固體電解質質量或體積占單體中電解質總質量或總體積之比的一半。
充電方式
科學家們表示，這種電池有三種充電方式可供選擇：抽出失效的泥漿并注入新鮮的泥漿；前往充電站，在此處用新鮮泥漿取代失效的泥漿；用電流給泥漿重新充電。采用前兩種方法，只需幾分鐘就能給電池充滿電。
優勢
美國麻省理工學院研制的半固態電池，相較于傳統電池減少了內部的“無效材料”，并提升了能效。其中，鋰“半固體”流體電池單位體積的電力傳遞能力為傳統電池的10倍。半固態電池每千瓦時制造成本為250美元，約為現有電池成本的三分之一。而且，在應用于電動汽車時，單次充電續航里程可達300公里，為現有電池續航能力的2倍。此外，半固態電池在傳統鋰離子電池基礎上引入固態電解質，保留5%-10%液態電解液，正負極沿用三元/磷酸鐵鋰和石墨/硅碳等材料，具有較強的工藝兼容性，可沿用70%的傳統液態電池生產線（僅需新增固態電解質涂布等工藝），從而降低了量產難度和設備改造成本。
應用領域
?無人機
在無人機領域，可謂是對半固態電池用最多的一項領域。由于續航時間的限制，對無人機電池的能量密度的突破一直都是行業無人機、競技類無人機、娛樂類無人機的追求。在行業內做得比較有聲望的格氏電池品牌擁有者深圳市格瑞普電池有限公司就在這方面頗有建樹。能量密度提升到275Wh/kg~290Wh/kg，較行業水平提升25%以上。
?新能源汽車
新能源汽車一直無法快速地被大眾廣泛認可的原因就是在能量密度以及續航方面無法進一步提升?，F在比亞迪的刀片電池等都是新研發的高能量密度電池。但是對于半固態電池來說，如果很好地運用在新能源汽車的話，突破一定限制不成問題。
美國麻省理工學院科學家研制的鋰”半固體”流體電池每單位體積傳遞的電力是傳統電池的10倍。半固態電池每制造出1千瓦時電力的成本為250美元。充電一次，fcv可行駛300公里。
?智能穿戴設備
智能穿戴設備是各大廠家爭相進入的紅海市場，不同于手環之類的電池續航時間長，手表之類的電池續航差，如果換成半固態電池此情況將有所改善。
其他
除了應用于電動汽車外， 還能以低成本制造出更大規格該類電池，以滿足公共設施大容量電能儲存的需求， 有利于促進具有間歇性和不可預 測性的包括風能和太陽能在內的可再生能源并網 發電。
未來展望
紐約城市大學能源研究所的丹·施丹戈特表示：“這件技術令人興奮。但即使該研究團隊5年內研制出電池模型，建立配套的充電站可能需要更長時間。”
財經評論員張雪峰向新能源前瞻表示，半固態電池借用現有液態電池設備和工藝，相對于全固態電池來說，僅有少量工藝需要進行調整，這降低了產業轉型的門檻。在成本方面，固態電池數倍于半固態電池的造價，也給了半固態電池“機會”。根據中郵證券測算，半固態電池較液態電池成本高出30%以上。預計半固態電池規?；慨a后，成本比液態鋰電池高10%-20%。而據日本科學技術振興機構估算，制造全固態電池所需的設備成本是鋰離子電池的10-20倍中國銀河的研報顯示，半固態電池2024年即有望在新能源汽車市場量產裝車，2030年可見大規模商業化的全固態動力電池。2024或成為半固態電池“裝車元年”。
中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高曾預計，2025-2030年將是半固態電池取得大發展的黃金時期。美國德雷克塞爾大學德雷克塞爾納米研究所所長尤里-伽戈崔指出，這可能是過去幾十年電池領域最令人興奮的研發。
參考資料 >
先進工藝誕生 鋰電池的制造成本減半.環球科技.2024-03-11
美研制出新型半固態液流電池.中國科學院.2024-02-26
【每日科普】什么是半固態電池?.微信公眾平臺.2024-02-22
美麻省理工研制出新型半固態液流電池.第一電動.2024-03-11
半固態電池，何時能唱主角?.網易.2024-02-22
半固態電池迎量產契機，這些廠商產品年內望裝車.百家號.2024-02-22