固態(tài)電池研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀分析

一、固態(tài)鋰電池概述

全固態(tài)鋰電池，是一種使用固體電極材料和固體電解質(zhì)材料，不含有任何液體的鋰電池，主要包括全固態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)金屬鋰電池，差別在于前者負(fù)極不含金屬鋰，后者負(fù)極為金屬鋰。

在目前各種新型電池體系中，固態(tài)電池采用全新固態(tài)電解質(zhì)取代當(dāng)前有機(jī)電解液和隔膜，具有高安全性、高體積能量密度，同時(shí)與不同新型高比能電極體系（如鋰硫體系、金屬－空氣體系等）具有廣泛適配性，可進(jìn)一步提升質(zhì)量能量密度，從而有望成為下一代動(dòng)力電池的終極解決方案，引起日本、美國、德國等眾多研究機(jī)構(gòu)、初創(chuàng)公司和部分車企的廣泛關(guān)注。

二、固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢(shì)及目前存在的技術(shù)缺陷

相比于傳統(tǒng)的鋰離子電池，固態(tài)鋰電池具有顯著優(yōu)點(diǎn)：

（1）高安全性能：傳統(tǒng)鋰離子電池采用有機(jī)液體電解液，在過度充電、內(nèi)部短路等異常的情況下，電池容易發(fā)熱，造成電解液氣脹、自燃甚至爆炸，存在嚴(yán)重的安全隱患。而很多無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}，聚合物固體電解質(zhì)相比于含有可燃溶劑的液態(tài)電解液，電池安全性也大幅提高。

（2）高能量密度：固態(tài)鋰電池負(fù)極可采用金屬鋰，電池能量密度有望達(dá)到300～400Wh／kg甚至更高；其電化學(xué)穩(wěn)定窗口可達(dá)5V以上，可匹配高電壓電極材料，進(jìn)一步提升質(zhì)量能量密度；沒有液態(tài)電解質(zhì)和隔膜，減輕電池重量，壓縮電池內(nèi)部空間，提高體積能量密度；安全性提高，電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊得到簡(jiǎn)化，提高系統(tǒng)能量密度。

（3）循環(huán)壽命長(zhǎng)：有望避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中持續(xù)形成和生長(zhǎng)SEI膜的問題和鋰枝晶刺穿隔膜問題，大大提升金屬鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。

（4）工作溫度范圍寬：固態(tài)鋰電池針刺和高溫穩(wěn)定性極好，如全部采用無機(jī)固體電解質(zhì)，最高操作溫度有望達(dá)到300℃，從而避免正負(fù)極材料在高溫下與電解液反應(yīng)可能導(dǎo)致的熱失控。

（5）生產(chǎn)效率提高：無需封裝液體，支持串行疊加排列和雙極機(jī)構(gòu)，可減少電池組中無效空間，提高生產(chǎn)效率。

（6）具備柔性優(yōu)勢(shì)：全固態(tài)鋰電池可以制備成薄膜電池和柔性電池，相對(duì)于柔性液態(tài)電解質(zhì)鋰電池，封裝更為容易、安全，未來可應(yīng)用于智能穿戴和可植入式醫(yī)療設(shè)備等。

盡管全固態(tài)鋰電池在多方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也有一些迫切需要解決的問題：

對(duì)于全固態(tài)電池的研發(fā)來說，解決上述問題的核心在于固態(tài)電解質(zhì)材料發(fā)展以及界面性能的調(diào)控與優(yōu)化。

三、固態(tài)鋰電池的技術(shù)路徑和研究熱點(diǎn)

3．1 固態(tài)電解質(zhì)材料技術(shù)路徑

電解質(zhì)材料的性能很大程度上決定了電池的功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能及使用壽命。常見的固態(tài)電解質(zhì)可分為聚合物類電解質(zhì)和無機(jī)物電解質(zhì)兩大類。

聚合物固態(tài)電解質(zhì)

由于聚氧乙烯（PEO）相比于其它聚合物基體具有更強(qiáng)的解離鋰鹽的能力，且對(duì)鋰穩(wěn)定，因此目前研究熱點(diǎn)以PEO及其衍生物為主。

聚合物電解質(zhì)潤(rùn)濕電極能力差， 活性材料脫嵌鋰必須通過極片傳輸?shù)诫姌O表面進(jìn)行， 使得電池工作過程中極片內(nèi)活性物質(zhì)的容量不能完全發(fā)揮，將電解質(zhì)材料混入電極材料中或者替代粘結(jié)劑， 制備成復(fù)合電極材料， 填補(bǔ)電極顆粒間的空隙， 模擬電解液潤(rùn)濕過程， 是提高極片中鋰離子遷移能力及電池容量發(fā)揮的一個(gè)有效方法。PEO 基電解質(zhì)由于結(jié)晶度高，導(dǎo)致室溫下導(dǎo)電率低，因此工作溫度通常需要維持在 60～85℃，電池系統(tǒng)需裝配專門的熱管理系統(tǒng)。此外，PEO的電化學(xué)窗口狹窄，難以與高能量密度正極匹配，因此需對(duì)其改性。

目前成熟度最高的BOLLORE的PEO基電解質(zhì)固態(tài)電池已經(jīng)商用，于英國少量投放城市租賃車，其工作溫度要求60～80℃，正極采用LFP和LixV2O8，但目前Pack能量密度僅為100Wh／kg。

無機(jī)固體電解質(zhì)

無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)主要包括氧化物和硫化物。氧化物固體電解質(zhì)按照物質(zhì)結(jié)構(gòu)可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩類，其中研究熱點(diǎn)是用在薄膜電池中的LiPON型電解質(zhì)。

以LiPON為電解質(zhì)材料制備的氧化物電池倍率性能及循環(huán)性能都比較優(yōu)異，但正負(fù)極材料必須采用磁控濺射、脈沖激光沉積、化學(xué)氣相沉積等方法制成薄膜電極，同時(shí)不能像普通鋰離子電池工藝一樣加入導(dǎo)電材料， 且電解質(zhì)不能浸潤(rùn)電極， 使得電極的鋰離子及電子遷移能力較差，只有正負(fù)極層都做到超薄，電池電阻才能降低。因此， 無機(jī)LiPON 薄膜固態(tài)鋰電池的單個(gè)電池容量不高，不適合用于制備Ah級(jí)動(dòng)力電池領(lǐng)域。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)由氧化物固態(tài)電解質(zhì)衍生而來，由于硫元素的電負(fù)性比氧元素小，對(duì)鋰離子的束縛較小，有利于得到更多自由移動(dòng)的鋰離子。同時(shí)，硫元素半徑大于氧元素，可形成較大的鋰離子通道從而提升導(dǎo)電率。目前三星、松下、日立造船＋本田、Sony都在進(jìn)行硫化物無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)。但空氣敏感性、易氧化、高界面電阻、高成本帶來的挑戰(zhàn)并不容易在短期內(nèi)徹底解決，因此距離硫化物電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池最終獲得應(yīng)用仍有很遠(yuǎn)距離。

總之，無機(jī)固體電解質(zhì)發(fā)揮單一離子傳導(dǎo)和高穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，用于全固態(tài)鋰離子電池中，具有熱穩(wěn)定性高、不易燃燒爆炸、環(huán)境友好、循環(huán)穩(wěn)定性高、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有望應(yīng)用在鋰硫電池、鋰空氣電池等新型鋰離子電池上，是未來電解質(zhì)發(fā)展的主要方向。

3．2 界面性能的調(diào)控與優(yōu)化

固體電解質(zhì)存在與電極間界面阻抗大，界面相容性較差，同時(shí)充放電過程中各材料的體積膨脹和收縮，導(dǎo)致界面容易分離等問題。使用鋰金屬負(fù)極也存在固相接觸阻抗大，界面反應(yīng)，效率低等問題。目前解決的主要方向如下：