隨著全球電動車?yán)顺毕?，關(guān)于固態(tài)電池的新聞越來越多：從Fisker宣稱開發(fā)充電1分鐘行駛500公里的固態(tài)電池，到寶馬已與SolidPower進(jìn)行合作開發(fā)下一代電動車用固態(tài)電池，再到豐田又宣稱將在2025年前實現(xiàn)全固態(tài)電池的實用化。作為下一代電池技術(shù)的代表，固態(tài)電池引發(fā)市場高度關(guān)注。

固態(tài)電池是采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。工作原理上，固態(tài)鋰電池和傳統(tǒng)的鋰電池并無區(qū)別：傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池被稱為“搖椅式電池”，搖椅的兩端為電池的正負(fù)兩極，中間為液態(tài)電解質(zhì)，鋰離子在電解液中遷移來完成正負(fù)極間的穿梭實現(xiàn)充放電，而固態(tài)電池的電解質(zhì)為固態(tài)，相當(dāng)于鋰離子遷移的場所轉(zhuǎn)到了固態(tài)的電解質(zhì)中。固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心。

固態(tài)電解質(zhì)不可燃燒，極大提高電池安全性。與傳統(tǒng)鋰電池相比，全固態(tài)電池最突出的優(yōu)點是安全性。固態(tài)電池具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發(fā)的特性，避免了傳統(tǒng)鋰離子電池中的電解液泄露、電極短路等現(xiàn)象，降低了電池組對于溫度的敏感性，根除安全隱患。同時，固態(tài)電解質(zhì)的絕緣性使得其良好地將電池正極與負(fù)極阻隔，避免正負(fù)極接觸產(chǎn)生短路的同時能充當(dāng)隔膜的功能。

然而，要將固態(tài)電池推向市場，仍面臨很大的問題，即如何制造出既堅固耐用又足夠薄的電解質(zhì)，來作為良好的離子導(dǎo)體。在理想情況下，這些電解質(zhì)應(yīng)該只有幾十微米厚，類似于今天鋰離子電池的隔板，但是大多數(shù)固體電解質(zhì)采用的是陶瓷材料，如果做得太薄，很容易破碎。

據(jù)外媒報道，加州大學(xué)圣地亞哥分校材料科學(xué)家PingLiu，以及馬里蘭大學(xué)和加州初創(chuàng)公司LioxPower研究人員，開發(fā)了一種制造固態(tài)電池電解質(zhì)的新技術(shù)。在制造過程中，通過對溶液進(jìn)行干燥，形成離子導(dǎo)電復(fù)合材料，這種材料可同時作為電解質(zhì)和正極涂層。

該電解質(zhì)溶液是一種含有β-硫代磷酸鋰(β-Li3PS4)的硫化物基材料。研究團(tuán)隊通過多種方式來合成這種材料，包括使用不同的親核試劑、溶劑和機(jī)械支持物，但最關(guān)鍵的起始成分總是硫化鋰(Li2S)和硫化磷(P2S5)。所產(chǎn)生的β-Li3PS4溶液很清澈，在干燥時形成非常均勻的電解質(zhì)層，可以直接沉積在硫化鋰正極上。Liu說:“我們通過連續(xù)的過程來制造電池，而不需要分別制造單獨的層體，所以，不必費力處理非常薄的材料?！?/p>

傳統(tǒng)鋰離子電池和固態(tài)電池制造技術(shù)，通常是將單層電解質(zhì)堆疊組合在一起。這種能源密集型技術(shù)，需要用球磨機(jī)混合粉末與粘合劑，然后將其鑄造成板材，再通過高溫和高壓平臺，進(jìn)行燒結(jié)或壓制。Liu的方法解決了這些問題。另外，研究人員對β-Li3PS4溶液進(jìn)行調(diào)整，以防止枝晶生長，從而打造更安全的電池。

鋰枝晶的形成，是由于電場不均勻、表面化學(xué)或其他原因，導(dǎo)致鋰離子在負(fù)極表面發(fā)生不均勻沉積，從而形成針狀突起。如果任由枝晶形成，就會引起火災(zāi)。CSIRO的Best稱：“負(fù)極上長出來的枝晶，與正極接觸，會引起局部過熱，溫度可能高達(dá)1500到2000攝氏度。”研究團(tuán)隊開發(fā)的電解質(zhì)，可與枝晶自發(fā)反應(yīng)，形成惰性產(chǎn)物，有助于防止電池短路。Liu說：“這與傷口上長疤的過程非常相似。因此，我們稱它為一種自我愈合和自我形成的機(jī)制?！?/p>

目前為止，研究人員已經(jīng)為這種獨特的電解質(zhì)制造技術(shù)申請了五項專利。研究團(tuán)隊希望，在未來兩至三年內(nèi)，以每千瓦時低于100美元的成本，制造出容量為2Ah的固態(tài)電池工作原型，接近今天大多數(shù)智能手機(jī)電池的容量，進(jìn)一步推進(jìn)固態(tài)電池的商業(yè)化進(jìn)程。

斯坦福大學(xué)研發(fā)不足10μm的固態(tài)電解質(zhì)

斯坦福大學(xué)崔屹課題組設(shè)計了一種全新的不足10μm的超薄、柔性、聚合物復(fù)合固體電解質(zhì)，可以確保全固態(tài)鋰離子電池的安全性能。

圖1.聚合物-聚合物SPE設(shè)計

要點1：設(shè)計理念

復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)必須由堅固、不易燃的主體制成，采用具有垂直排列的納米通道和鋰離子導(dǎo)電SPE填料。高模量主體防止枝晶滲透，而對齊的通道增強(qiáng)SPE填料的離子導(dǎo)電性。復(fù)合電解質(zhì)的超薄和聚合物-聚合物性能使得全電池具有極大的柔韌性，低電解質(zhì)電阻和潛在的高能量密度。研究團(tuán)隊采用高模量的納米多孔聚酰亞胺（PI）主體和PEO/鋰雙（三氟甲磺?；啺罚↙iTFSI）聚合物電解質(zhì)進(jìn)行概念驗證，這種PI/PEO/LiTFSI固體電解質(zhì)中，超薄多孔PI基質(zhì)厚度僅8.6μm。

要點2：優(yōu)異性能

雖然商業(yè)鋰離子電池的理論能量密度接近480Whkg-1，但是當(dāng)在計算中考慮金屬殼體，正負(fù)極集流器時，理論值減少一半。如果進(jìn)一步考慮隔板和液體電解質(zhì)時，能量密度理論值還要進(jìn)一步降低。然而，當(dāng)使用PI/PEO/LiTFSI電解質(zhì)（246Whkg-1）時，全固態(tài)電池的能量密度與液體電解質(zhì)電池的能量密度相當(dāng)，并且遠(yuǎn)高于其他的電解質(zhì)電池。

全固態(tài)電池中超薄超輕的PI/PEO/LiTFSI（1.12mgcm-2）具有與隔膜/液體電解質(zhì)（1mgcm-2）相似的面積密度，確保其優(yōu)于其他固體電解質(zhì)系統(tǒng)。由于全固態(tài)LIB的電池外殼可能比液體電解質(zhì)LIB更簡單，所以固體聚合物-聚合物復(fù)合材料LIB的能量密度可能會更高。進(jìn)一步，通過高容量鋰化學(xué)，例如硫和金屬鋰，可以實現(xiàn)更高的能量密度。

由于PI膜不易燃，力學(xué)強(qiáng)度高，即使經(jīng)過1000多小時的循環(huán)，也可持續(xù)防止電池短路，保證安全性。垂直通道可提高注入的離子電導(dǎo)率（30°C時為2.3×10-4Scm-1），基于PI/PEO/LiTFSI固體電解質(zhì)制造的全固態(tài)鋰離子電池在60°C時具有良好的循環(huán)性能（C/2速率下200次循環(huán)），并可承受彎曲，切割和釘子穿透等測試。