近期村田制作所株式會社與QuantumScape Corporation就共同探討用于QuantumScape固態電池技術的陶瓷隔膜量產化合作達成一致，雙方將結合村田制作所在陶瓷制造領域的技術專長與QuantumScape的創新電池技術，共同推進固態電池所需陶瓷隔膜的量產化進程。現如今在電動汽車、儲能電站等場景中，固態電池正以“高能量密度 本質安全”的優勢掀起技術革命。而在這場革命中，陶瓷隔膜猶如電池的“安全護盾”，通過抑制鋰枝晶、阻隔熱失控、提升離子傳導效率，為固態電池的可靠性保駕護航。一塊指甲蓋厚的陶瓷片，竟能讓電動汽車續航提升50%？這并非科幻，而是固態電池中陶瓷隔膜帶來的革命。本文主要對固態電池中的陶瓷隔膜進行簡略介紹：

1. 為什么需要陶瓷隔膜？

傳統液態電池隔膜（如PE/PP）在高溫下易熔融收縮，導致正負極短路，例如傳統鋰電池使用的液態電解液，存在易燃易漏的風險。

圖1 鋰離子電池工作原理示意圖（來源鋰電邦）

而固態電池雖采用固態電解質，但界面阻抗高、鋰枝晶穿刺風險仍存。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，能讓電池在極端環境下依然安全穩定；

（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）化學穩定：與固態電解質兼容，避免副反應，顯著延長了電池的使用壽命；

（4）功能復合：部分陶瓷材料（如LATP）兼具離子傳導性，可優化界面阻抗。

這些特性使得陶瓷隔膜成為固態電池不可或缺的核心組件。

2. 陶瓷隔膜的材料類型及結構工藝

（1）材料類型：

（2）結構：

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℃）。

復合型陶瓷隔膜：將陶瓷顆粒與聚合物電解質復合，形成三維離子傳導網絡。

全陶瓷固態電解質：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。

燒結技術：通過高溫燒結（800-1200℃）使陶瓷顆粒與基膜緊密結合，形成致密層。例如，天目先導量產的LATP粉體，粒徑D50為4μm，燒結后離子電導率超0.1mS/cm。

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

3. 陶瓷隔膜當前在固態電池市場的現實案例

案例1：輝能科技全固態電池

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電池峰會上由相關人士介紹了公司最新的無隔膜次世代電池技術，該技術的核心在于創新的“無隔膜”陶瓷隔層設計。這一設計不僅顯著提升了電池的能量密度和快充能力，還展現了廣泛的適用性和高量產潛力。傳統電池通常采用隔膜來分隔電極，而輝能科技則創新地引入了“陶瓷隔層”設計，提升電池安全性的同時還為其帶來了廣泛的適用性。這種設計不受傳統電池化學系統和材料的限制，使得電池的能量密度和充電速度得以顯著提升。

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據了解，輝能科技的這一創新技術已經獲得了德國萊茵實驗室的權威認證。根據報告顯示，輝能的次世代鋰陶瓷電芯在體積能量密度上達到了749Wh/L，重量能量密度為321Wh/kg，同時具備5分鐘內從5%充至60%，以及5分鐘內從5%充至80%的快充能力。

案例2：QuantumScape無負極固態電池

總部位于硅谷的QuantumScape公司自2010年成立以來便致力于固態鋰離子電池的研究。經過十多年的潛心研發，他們終于推出了世界上首款無負極固態電池。通過創新設計，該司引入了一種固態陶瓷隔膜。在首次充電過程中，這種隔膜與負極導電層相互作用，進而在兩者之間生成鋰金屬負極，從而實現了無負極固態電池的構造。這一設計不僅簡化了電池結構，還有效防止了鋰枝晶的形成，進一步確保了電池的安全性。此外，全固態的電池設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，而電池結構的設計也相應地進行了特殊處理以適應這一變化。

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這個固態陶瓷隔膜，也就是氧化物，其厚度僅有約20微米，遠小于頭發絲的直徑，堪稱這款電池的核芯技術。經過長達10余年的研發與逾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。

從實驗室逐步走向產業化，陶瓷隔膜技術經歷著創新與變革，也在以“材料-工藝-應用”的三重突破推動著固態電池向更高能量密度、更低成本、更安全的方向進化。它不僅代表著材料科學的進步，更為行業描繪了一個更安全、更持久的能源未來。

隨著今后納米陶瓷技術、3D打印工藝的成熟，陶瓷隔膜或將成為固態電池全面替代液態電池的“關鍵鑰匙”。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"的智能手機和"續航千公里"的電動汽車成為現實。