2026 roadmap on next-generation solid electrolytes for battery applications

Citation: Florian Strauss, Torsten Brezesinski, Saneyuki Ohno, Yi Huang, Peng Song, Xabier Martinez de Irujo-Labalde, Wolfgang G Zeier, Jelena Popovic-Neuber, Hugo Braun, Arndt Remhof et al. 2026 roadmap on next-generation solid electrolytes for battery applications[J]. Materials Futures, 2026, 5(3): 033001. DOI: 10.1088/2752-5724/ae5120

文章导读

随着全球能源结构加快向低碳化、电气化和可持续化方向发展，新能源汽车、大规模储能及便携式电子设备等领域对高性能储能技术提出了更高要求。传统锂离子电池经过三十余年的发展，已实现商业化并广泛应用于多个领域。然而，由于采用易燃有机液态电解液，其在高能量密度条件下仍存在热失控、泄漏及燃烧等安全隐患，同时难以满足高电压正极和金属锂负极体系对电解质稳定性的要求。因此，开发兼具高安全性、高能量密度和长循环寿命的新一代储能体系，已成为当前电化学储能领域的重要研究方向。

在Materials Futures主编、德国卡尔斯鲁厄理工学院Torsten Brezesinski教授的牵头组织下，全球50余位专家共同绘制下一代固态电解质发展路线图，对近年来具有代表性的固态电解质材料进行了系统梳理，包括硫化物、卤化物、后锂/钠无机固态电解质、硼氢化物、完全还原型固态电解质、非晶及玻璃陶瓷固态电解质等新型材料体系；同时，对氧化还原活性固态电解质、规模化加工制造、高通量计算与机器学习辅助材料设计、先进原位表征技术、核磁共振分析以及固态电池回收利用等研究方向进行了总结。作者认为，未来固态电解质的发展将更加依赖材料科学、数据科学与制造技术的深度融合，并通过跨学科协同推动材料设计、智能研发、先进表征及循环利用等关键技术的发展，为高安全、高能量密度和可持续发展的全固态电池提供支撑。

本文要点

01 下一代固态电解质，正在重新定义"好材料"

过去二十多年，学术界几乎默认"离子电导率越高越好"。因此，大量研究工作都集中在提高Li⁺迁移速率，希望达到甚至超过液态电解液的水平。

然而作者指出，这种评价标准已经难以满足未来全固态电池的发展需求。真正具有产业化潜力的固态电解质，应至少满足以下几个方面的要求：

• 高离子电导率（>1 mS/cm）

• 宽电化学窗口

• 良好的机械顺应性（易于冷压成型）

• 空气/湿度稳定性

• 低成本、可规模化制备

• 可回收性

作者强调，上述指标之间往往存在相互制约。例如，提高机械强度可能降低界面接触，追求更高离子电导率又可能牺牲空气稳定性。因此，未来材料设计的目标不是让某一个指标达到极致，而是在多个性能之间寻找综合平衡。

这一观点也代表了当前固态电解质研究思路的重要转变：从"单一性能最优"走向"系统性能最优"。

图1.展示了硫化物、卤化物、氧化物等各类SE的年发文量增长趋势，硫化物仍占主导，卤化物近年来增长迅速。

02 各类固态电解质的核心进展与挑战

（1）硫化物固态电解质

硫化物固态电解质（Sulfide Solid Electrolytes）因具有优异的离子传输性能和良好的机械加工性能，是目前全固态电池研究最深入、最具产业化前景的一类无机固态电解质。其优势在于高极化的S²⁻阴离子赋予的快速离子传输，以及机械柔软性（可冷压成型）。尽管硫化物固态电解质具有诸多优势，但在实际应用过程中仍面临一系列挑战。

亮点进展：

• 高熵设计：Li_9.54[Si_1-δM_δ]_1.74P_1.44S_11.1Br_0.3O_0.6（M=Ge,Sn）达到32 mS/cm，为目前最高值。高熵通过引入“挫败能垒”降低活化能。

• AI辅助发现：Cho等人通过主动学习发现了电导率13.02 mS/cm的Li-硫银锗矿。

• 大规模制备：Idemitsu（出光兴产）已开始开发低成本Li₂S合成路线；Mitsui Kinzoku（三井金属）于2024年9月启动硫银锗矿的量产。

图2.对比了各类SE的电导率，硫化物处于最顶端。

（2）卤化物固态电解质

与硫化物固态电解质相比，卤化物材料不仅具有较高的锂离子电导率，而且表现出更优异的高电压氧化稳定性和良好的正极兼容性，因此被认为是实现高能量密度全固态电池的重要候选材料。

亮点进展：

• 非晶态/玻璃态氧氯化物物：LiMOCl₄（M=Nb,Ta）通过部分O取代Cl，形成玻璃态结构，电导率>10 mS/cm。

• 黏土状卤化物：nLiCl-GaF₃体系具有<1 MPa的模量，可像黏土一样变形，有助于改善固-固界面接触。

• 动态还原稳定性：Li₃YCl₃Br₃在0.2 V vs Li⁺/Li下仍稳定，可与红磷负极匹配。

图3.总结了卤化物SE的两大核心挑战：离子电导率和化学稳定性。

（3）后锂/钠体系

随着锂资源成本增加以及对高容量储能体系的需求，研究者开始探索超越传统锂离子和钠离子电池的新型电池体系，包括镁离子、钙离子、锌离子、铝离子以及钾离子电池等。这些体系具有资源丰富、成本低以及多电子转移能力等优势，被认为是未来储能技术的重要候选方向。

后锂/钠体系在固态电池中的应用仍面临离子传输、电子绝缘性以及界面稳定性等多方面挑战。

图4.总结了影响后Li/Na SE性能的三大因素：结构因素、电化学性质、电池应用。

（4）氢硼化物（Hydroborates）

氢硼化物是一类近年来受到广泛关注的新型固态电解质，其主要结构单元为含氢硼阴离子。该类材料由于具有较高的离子电导率、良好的机械顺应性或良好的冷压加工性能，被认为是固态电池的重要候选材料。

主要优势：

• 宽电化学窗口：与锂金属和高压正极（NMC811）均兼容。

• 溶液可加工：可溶解后浸渍多孔电极。

• 高热稳定性：~400℃，低毒性。

主要挑战：

• 高成本：Li₂B₁₂H₁₂约USD 10000/kg, LiCB₁₁H₁₂ 约USD 500 000/kg

• 枝晶问题：使用Li或Na金属负极时仍受枝晶限制，因此许多研究采用Li-In或NaSn合金作为模型负极。

前景：若能从NaBH₄开发出低成本合成路线，氢硼化物有望成为兼具高安全、轻量化和宽窗口的SE。

图5. 氢硼化物的阴离子结构。

图6. 氢硼化物代表性电池性能。

03 跨领域技术：从实验室到产业化

（1）规模化制备

原文强调，固态电解质的产业化不仅取决于材料性能，还受到加工工艺、制造成本及生产效率等因素的影响。目前，不同类型固态电解质已形成各具特点的制备路线。

（2）高通量与机器学习

随着固态电解质材料体系不断丰富，仅依靠传统实验筛选新材料已难以满足研发需求。原文指出，高通量计算能够快速评估大量材料组成和晶体结构，为潜在固态电解质的发现提供理论依据；机器学习则能够利用已有实验数据和计算数据建立材料组成、结构特征与性能之间的关联模型，从而实现新材料的快速预测和优化。

成功案例：

• Cho等人通过主动学习发现了电导率13.02 mS/cm的Li-硫银锗矿。

• Han等人通过变分自编码器从300个相图中选出Li₇Si₂S₇I，电导率~10⁻² S/cm。

未来挑战：

• 惰性气氛下的高通量合成：硫化物/卤化物对空气敏感，需要全封闭自动化。

• 全固态电池的高通量测试：临界电流密度（CCD）测试存在很大波动性（同一电池多次测量值差异大），需要建立标准化测试方法。

图7. McCalla组的高通量筛选流程。

（3）原位/工况表征

Operando 原位表征技术能够在电池实际充放电过程中实时获取材料结构和界面变化信息，是研究全固态电池工作机制的重要工具。与传统离位测试相比，原位技术能够连续监测材料在工作状态下的动态演化过程，更真实地反映电池内部发生的物理和化学变化。

近年来，同步辐射 X 射线衍射（XRD）、中子衍射、X 射线吸收谱（XAS）、拉曼光谱、电子显微镜以及 X 射线计算机断层扫描（X-ray CT）等多种原位技术已广泛应用于固态电池研究。这些技术能够实时观察锂离子的迁移路径、晶体结构变化、相变过程、锂枝晶生长及电极/电解质界面的演化规律，为分析电池容量衰减和失效机制提供了重要依据。作者指出，未来应进一步提高原位表征技术的空间分辨率和时间分辨率，并结合多种表征手段，实现不同尺度信息的协同分析，从而更加全面地揭示全固态电池的工作机制。

（4）核磁共振（NMR）揭示缺陷与动力学

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是研究固态电解质局部结构和离子动力学的重要分析方法。原文指出，与 XRD 等主要反映晶体长程有序结构的技术不同，NMR 能够直接探测锂、钠等离子的局部化学环境及扩散行为，因此在研究离子迁移机制和结构缺陷方面具有独特优势。

• 可探测局域结构（化学位移、各向异性）和缺陷。

• 可覆盖10个数量级的时间尺度，从皮秒级的局部跳动到秒级的宏观扩散。

• 可区分短程和长程离子运动。

未来方向：

• 二维交换NMR研究位点特异性扩散。

• 动态核极化（DNP）增强界面NMR信号。

图8. NMR可探测的时间尺度范围。

图9. LiTi₂(PS₄)₃中的多步扩散行为。

（5）固态电池的回收与循环利用

固态电池的回收研究尚处早期，但硫化物和卤化物的湿度敏感性、锂金属的反应活性给回收带来新挑战。

各类SE的回收策略：

设计建议：从源头考虑可回收性，通过优化材料组成、改进制造工艺及建立完善的循环利用体系，实现全固态电池全生命周期的绿色发展——易拆解外壳、可逆粘合剂、易分离的集流体。

图10. SSB回收面临的未来挑战。

总结与未来展望

未来固态电解质的发展目标已不再局限于获得更高的离子电导率，而应综合考虑材料本征稳定性、电极/电解质界面兼容性、机械性能、加工工艺、制造成本以及环境可持续性等因素，实现多性能协同优化。未来研究需要进一步加强基础理论与工程应用之间的结合，深入揭示离子迁移、界面演化及材料失效机制，建立标准化评价体系，并推动人工智能、先进表征及智能制造等新技术在固态电解质研究中的应用，加快实验室成果向产业化转化。

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