1.全固態(tài)鋰電池簡介

全固態(tài)鋰電池是一種使用固體電極和固體電解液的電池鋰二次電池，從20世紀50年代開始發(fā)展起來的，它的工作原理與傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)鋰電池原理相通，鋰離子在電極的正、負極之間來回運動，從而完成電池的充放電過程。只不過固態(tài)電池的電解質(zhì)為固態(tài)，具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進而提升電池容量。

在構(gòu)造上，全固態(tài)鋰電池比傳統(tǒng)鋰離子電池要簡單，固體電解質(zhì)除了傳導(dǎo)鋰離子，也充當(dāng)隔膜的角色，電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜與黏接劑聚偏氟乙烯等都不需要使用，大大簡化電池的構(gòu)建步驟，如圖1。因此，對于同樣的電量，固態(tài)電池體積將變得更小。

目前，按照電解質(zhì)區(qū)分，全固態(tài)鋰電池主要包括兩大類：一類是有機聚合物電解質(zhì)組成的全固態(tài)鋰電池，稱為聚合物全固態(tài)鋰電池；二是以無機固體電解質(zhì)組成的鋰離子電池，稱作無機全固態(tài)鋰電池，主要有氧化物類和硫化物類。

圖1傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池與全固態(tài)鋰離子電池示意圖

2.全固態(tài)鋰電池具有的優(yōu)勢

全固態(tài)鋰電池之所以會讓國際巨頭們看中是因為它有望解決目前困擾動力電池行業(yè)的兩大系統(tǒng)“挑戰(zhàn)”——安全隱患和能量密度偏低問題。全固態(tài)鋰電池相比于液態(tài)鋰離子電池所具有的優(yōu)勢如下：

（1）安全性能高完全消除了電解液腐蝕和泄露的安全隱患，具有更高的熱穩(wěn)定性。

（2）能量密度高目前市場上應(yīng)用的鋰離子電池的電芯能量密度為260Wh/kg左右，正在開發(fā)的鋰離子電池能量密度在300-320Wh/kg。而全固態(tài)鋰電池，如果負極采用鋰金屬，電池能量密度有望達到300-400Wh/kg，甚至更高。

（3）循環(huán)壽命長固體電解質(zhì)有望避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中持續(xù)行程和生長SEI膜和鋰枝晶穿刺隔膜問題，有望大大提高金屬鋰電池的循環(huán)壽命。已報道的薄膜型全固態(tài)電池能夠循環(huán)45000次。

（4）電化學(xué)窗口寬全固態(tài)鋰電池的電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬，有可能達到5V，適應(yīng)于高電壓型電極材料，有利于進一步提高能量密度。

（5）單體電壓高由于固體電解質(zhì)的固態(tài)特性，可以疊加多個電極，使單元內(nèi)串聯(lián)制備12V及24V的大電壓單體電池成為可能。

3.全固態(tài)鋰電池目前存在的缺陷及解決方案

雖然全固態(tài)鋰電池在很多方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，但同時也有一些迫切需要解決的問題：固體電解質(zhì)材料離子電導(dǎo)率偏低；固體電解質(zhì)/電極間界面阻抗大，界面相容性差，同時，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；有待設(shè)計和構(gòu)建與固體電解質(zhì)相匹配的電極材料，現(xiàn)階段的電池制備成本高等問題。針對這些問題，研究人員進行了各種嘗試，部分可能得解決途徑如下表1。

表1全固態(tài)鋰電池目前存在的缺陷和比分解決方案

4.全固態(tài)鋰電池目前的機遇與挑戰(zhàn)

為應(yīng)對新能源汽車越來越急迫的高性能要求，各國都已經(jīng)開始布局高能量密度鋰電池，如日本政府提出，2020年動力電池電芯能量密度將達到250Wh/kg，2030年達到500Wh/kg，美國先進電池聯(lián)合會（USABC）提出將2020年電芯能量密度有原來的220Wh/kg提高到350Wh/kg，中國國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》中也明確提到，2020年中國動力電池單體比容量達到300Wh/kg，2025年達到400Wh/kg，2030年達到500Wh/kg。提高電芯能量密度，必然要求兼顧安全性能，因此發(fā)展全固態(tài)鋰電池技術(shù)，具有重要的意義。