我國通過政策的引導(dǎo)和扶持，已經(jīng)成為全球最大的新能源汽車市場(chǎng)?；谡叩贡坪?a href="/keywords/dlldc/" class = "seo-anchor" data-anchorid=126 target="_blank">動(dòng)力鋰電池技術(shù)本身的進(jìn)步，電動(dòng)汽車用單體電池的能量密度將會(huì)于2020年達(dá)到300wh/kg。磷酸鐵鋰離子電池終將被三元鋰離子電池替代，而具有高理論能量密度和高安全性的固態(tài)電池能否成為下一代的動(dòng)力鋰電池呢?

目前，我國新能源汽車廠商選用的電池體系重要有三元材料/石墨體系，磷酸鐵鋰/石墨體系和三元/鈦酸鋰體系電池三種。選用三元電池的代表車企有吉利、長(zhǎng)安、北汽、上汽、江淮等公司，選用磷酸鐵鋰離子電池的代表車企是比亞迪，三元/鈦酸鋰離子電池的車企則是珠海銀隆。

2017年三月份，國家工信部等四部委聯(lián)合頒布《促進(jìn)汽車動(dòng)力鋰電池發(fā)展行動(dòng)方法》，指出到2020年，要求新型鋰離子動(dòng)力申池單體比能量超過300Wh/Kg；系統(tǒng)比能量力爭(zhēng)達(dá)到260Wh/Kg。

根據(jù)三種電池的原材料本身性質(zhì)進(jìn)行判斷，單體比能量超過300Wh/Kg對(duì)磷酸鐵鋰和鈦酸鋰離子電池來說是無法達(dá)到的，目前只有三元材料能夠達(dá)到這樣的要求。以上是三種鋰離子電池材料體系的比較，三元電池雖以能量密度超越其他電池，但是其采用的是液態(tài)電解質(zhì)，存在較大的安全隱患。業(yè)內(nèi)關(guān)于固態(tài)電解質(zhì)能夠解決鋰離子電池安全問題保持一致的看法。

固態(tài)電池并不是一個(gè)新穎的概念，早在2012年蘋果公司就已經(jīng)對(duì)固態(tài)電池開始了專利布局。固態(tài)電池是采用固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)的電池。固態(tài)電池的正極材料與液態(tài)電解質(zhì)電池沒有太大差別，負(fù)極材料重要選用鋰金屬、鋰合金或石墨烯等。這么多有利的因素，組合在一起就構(gòu)成了固態(tài)鋰離子電池。目前固態(tài)鋰離子電池可以分為無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)電池和聚合物固態(tài)鋰離子電池兩種。固態(tài)鋰離子電池的發(fā)展重要還是依賴于固體電解質(zhì)的材料的發(fā)展。

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全固態(tài)鋰離子電池介紹及電解質(zhì)深度解析

一、固態(tài)電解質(zhì)材料

關(guān)于固態(tài)電池來說，選用合適的固態(tài)電解質(zhì)材料是電池設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，一般對(duì)電解質(zhì)的性能要求有以下：

(1)具有高的室溫電導(dǎo)率;

(2)電子無法通過，鋰離子能夠通過；

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(3)電化學(xué)窗口寬；

(4)與電極材料相容性好；

(5)熱穩(wěn)定性好、耐潮濕環(huán)境、機(jī)械性能優(yōu)良；

(6)原料易得，成本較低，合成方法簡(jiǎn)單。

1.聚合物電解質(zhì)

在有機(jī)聚合物基鋰離子導(dǎo)體中，鋰離子以鋰鹽的形式溶于聚合物基體。電導(dǎo)率是表征電解質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)，而傳輸速率重要受到與基體相互用途及鏈段活動(dòng)能力的影響。提高鏈段的活動(dòng)性有利于提高鋰離子電導(dǎo)率。

目前，研究較多的聚合物固體電解質(zhì)是PEO（聚環(huán)氧乙烷）及其衍生物絡(luò)合鋰鹽類聚合物電解質(zhì)。PEO類聚合物在較高的溫度下也有很好的離子電導(dǎo)率，且加工性能好。但PEO類聚合物電解質(zhì)也存在室溫離子電導(dǎo)率低、與金屬鋰負(fù)極的相容性差等問題。

2.無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)

無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料中，早期開發(fā)的鹵化物電解質(zhì)電導(dǎo)率較低。這些早期開發(fā)的材料還存在化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、制備困難等問題。

全固態(tài)鋰離子電池介紹及電解質(zhì)深度解析

硫化物電解質(zhì)和氧化物電解質(zhì)都包含有玻璃、陶瓷及玻璃-陶瓷（微晶玻璃）3種不同結(jié)晶狀態(tài)的材料?？偟膩碚f，由于S相關(guān)于O對(duì)Li的束縛用途較弱，有利于Li+的遷移，因此硫化物的電導(dǎo)率往往顯著高于同種類型的氧化物。

氧化物電解質(zhì)對(duì)空氣和熱穩(wěn)定性高，原料成本低，更易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；苽?。在氧化物電解質(zhì)中，非晶（玻璃）態(tài)氧化物電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率較低，且對(duì)空氣中的水汽較敏感，制備往往要高溫淬冷，難以應(yīng)用于實(shí)際電池。

在氧化物中，鋰離子在尺寸大得多的O2-構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)間隙進(jìn)行傳導(dǎo)，減弱Li-O相互用途、實(shí)現(xiàn)鋰離子的三維傳輸及優(yōu)化傳輸通道中鋰離子與空位濃度的比例均有利于提高鋰離子的電導(dǎo)率?；谶@些理念，一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的氧化物鋰離子導(dǎo)體材料相繼出現(xiàn)，其中具有代表性的包括石榴石型結(jié)構(gòu)體系、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)體系、鈉快離子導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體系。然而，這些材料中，只有石榴石型結(jié)構(gòu)體系的材料對(duì)金屬鋰穩(wěn)定。另兩種結(jié)構(gòu)體系中電導(dǎo)率較高的材料均含有可被金屬鋰還原的Ti、Ge等元素。此外，石榴石型結(jié)構(gòu)體系材料對(duì)空氣有較好的穩(wěn)定性，原料成本低，燒結(jié)體具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，因此具備作為理想固態(tài)電解質(zhì)廣泛應(yīng)用于全固態(tài)鋰離子電池的潛力。

全固態(tài)鋰離子電池介紹及電解質(zhì)深度解析

二、待解決的問題

將固態(tài)電解質(zhì)引入鋰離子電池是為了突破目前有機(jī)電解液存在的種種限制，提高電池的能量密度、功率密度、工作溫度范圍和安全性。然而，真正實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，仍需首先解決現(xiàn)有電解質(zhì)材料本身以及與電極界面存在的一些問題。

例如，提高能量密度要使用低電位、大容量的負(fù)極材料，以及高電位、大容量的正極材料，這樣的情況下，存在高電壓的情況，聚合物和硫化物有限的電化學(xué)窗口往往難以直接應(yīng)用的問題。提高功率密度則要提高電解質(zhì)電導(dǎo)率，這依舊是個(gè)很大的難題。

三、總結(jié)

全固態(tài)鋰離子電池具有極高的安全性，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時(shí)也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰離子電池的汽車的自燃概率會(huì)大大降低。全固態(tài)鋰離子電池當(dāng)前能量密度約400Wh/Kg，預(yù)估最大潛力值達(dá)900Wh/Kg。但是固態(tài)電池在提升能量密度、功率密度等方面還存在一些待解決的問題，要從固態(tài)電解質(zhì)、正負(fù)極材料上著手，一旦這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場(chǎng)新的電池革命。

固態(tài)電池

在固態(tài)離子學(xué)中，固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解液的電池。固態(tài)電池一般功率密度較低，能量密度較高。由于固態(tài)電池的功率重量比較高，所以它是電動(dòng)汽車很理想的電池。

2020年固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)有望取得突破性進(jìn)展，在成本、能量密度和生產(chǎn)過程等方面進(jìn)一步趕超鋰離子電池技術(shù)。

2030年，鋰離子電池將不再是電動(dòng)汽車電池主流，但其在某些電子原件領(lǐng)域仍有一席之地。[1]

歷程

從1991年索尼公司將含有液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池帶入電子設(shè)備的應(yīng)用至今，液態(tài)鋰離子電池已經(jīng)成為目前最為成熟、使用最廣泛的技術(shù)路線之一。

在2010年，豐田就曾推出過續(xù)航里程可超過1000KM的固態(tài)電池。而包括QuantumScape以及Sakti3所做的努力也都是在試圖用固態(tài)電池來取代傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池。

加拿大Avestor公司也曾嘗試過研發(fā)固態(tài)鋰離子電池，最終2006年正式申請(qǐng)破產(chǎn)。Avestor公司使用一種高分子聚合物分離器，代替電池中的液體電解質(zhì)，但一直沒有解決安全問題，在北美地區(qū)發(fā)生過幾起電池燃燒或者爆炸事件。

2015年三月中旬，真空吸塵器的發(fā)明者、英國戴森公司（Dyson）創(chuàng)始人詹姆斯戴森將其首筆1500萬美元的投資投向了固態(tài)電池公司Sakti3，后者是一家成立于2007年的電池創(chuàng)業(yè)公司。

原理

傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池又被科學(xué)家們形象地稱為搖椅式電池，搖椅的兩端為電池的正負(fù)兩極，中間為電解質(zhì)（液態(tài)）。而鋰離子就像優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員，在搖椅的兩端來回奔跑，在鋰離子從正極到負(fù)極再到正極的運(yùn)動(dòng)過程中，電池的充放電過程便完成了。

固態(tài)電池的原理與之相同，只不過其電解質(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(jìn)而提升電池容量。因此，同樣的電量，固態(tài)電池體積將變得更小。不僅如此，固態(tài)電池中由于沒有電解液，封存將會(huì)變得更加容易，在汽車等大型設(shè)備上使用時(shí)，也不要再額外新增冷卻管、電子控件等，不僅節(jié)約了成本，還能有效減輕重量。

優(yōu)勢(shì)

據(jù)其官方稱，Sakti3已制造出能量密度達(dá)1100瓦時(shí)/升的電池，這一能量密度幾乎是目前鋰離子電池的2倍。美國佛羅里達(dá)大學(xué)的電池專家、材料科學(xué)教授凱文瓊斯（KevinJones）認(rèn)為：假如電池蓄電量能像Sakti3提出的那樣多，那么電動(dòng)汽車的購買和使用成本就有可能與普通汽車相同。

而且固態(tài)電池還有另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在事故中損壞時(shí)不易爆炸或起火。要了解的是，在此之前，在新能源汽車領(lǐng)域與特斯拉同樣享有盛名的菲斯科，后來之所以會(huì)破產(chǎn)并慢慢銷聲匿跡，在很大程度上就是因?yàn)槠漕l繁出現(xiàn)的電池起火事件以及其他故障。

爭(zhēng)議

固態(tài)電池可能是未來電池技術(shù)的發(fā)展方向之一，但也許不是最好的。上述新能源生產(chǎn)公司的技術(shù)人員稱，包括燃料動(dòng)力電池、超級(jí)電容器、鋁空氣電池、鎂電池在理念上都有較大的發(fā)展空間，而最終，要看哪種路線發(fā)展更快、更接地氣。所謂接地氣，就是在商業(yè)化的規(guī)模和成本方面都能達(dá)到完美的平衡點(diǎn)。首先，使用的材料必須不能是高成本且稀有的。其次，要在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域都有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的可能。

或許，現(xiàn)在最具考驗(yàn)的地方在于價(jià)格。液態(tài)鋰離子電池的成本大約在200~300美元/千瓦時(shí)，假如使用現(xiàn)有技術(shù)制造足以為智能手機(jī)供電的固態(tài)電池，其成本會(huì)達(dá)到1.5萬美元，而足以為汽車供電的固態(tài)電池成本更是達(dá)到令人咋舌的9000萬美元。

Sastry表示，固態(tài)電池生產(chǎn)成本居高不下的一個(gè)重要原因在于生產(chǎn)效率低下。按照Sastry的規(guī)劃，Sakti3最終將會(huì)把電池的成本降低至100美元/千瓦時(shí)，不過，她并沒有給出最終的時(shí)間。

從理論的提出時(shí)間來看，固態(tài)電池并不是一個(gè)新的概念，但多年來，研發(fā)上的進(jìn)展并沒有想象那么快速。韓國三星的一位技術(shù)人員認(rèn)為，即便Sakti3最終能做到成本上的降低，電池從實(shí)驗(yàn)室到最終的量產(chǎn)也要不短的時(shí)間。正如液態(tài)鋰離子電池，在上世紀(jì)70年代，相關(guān)的理念和實(shí)驗(yàn)認(rèn)證就在齊頭并進(jìn)地推進(jìn)，但真正大規(guī)模的使用，已經(jīng)是20世紀(jì)末了。