探究全固態(tài)電池到底是一種什么樣的技術(shù)

不論是新能源車或儲能設(shè)備，最重要的關(guān)鍵零部件之一就是電池，這幾年電池行業(yè)的一項挑戰(zhàn)就是拉高能量密度、追求更安全的方式，不論是嘗試新的正極、負極材料；或是提高鎳錳鈷（NMC）三元電池鎳的比重；也有人致力于研發(fā)不同于傳統(tǒng)鋰電池的技術(shù)，像是使用氫燃料電池的氫能源車。而固態(tài)電池（Solid-State Battery）就是被視為是下時代的電池技術(shù)。

什么是固態(tài)電池

全固態(tài)電池到底是一種什么樣的技術(shù)？

如果通俗地講，全固態(tài)電池就是里面沒有氣體、沒有液體，所有材料都以固態(tài)形式存在的電池。

而考慮到現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槌Ｒ姷碾姵貫?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/6503/" target="_blank">鋰離子電池，我們在這里將默認把“全固態(tài)鋰離子電池”當(dāng)做全固態(tài)電池的代表（暫時忽略全固態(tài)鋰硫等新型電池）。

一般來說，鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、結(jié)構(gòu)殼體等部分組成，其中電解液使得電流可以在電池內(nèi)部以離子形式傳導(dǎo)。

電解液技術(shù)是鋰電池的核心技術(shù)之一，也是現(xiàn)在電池工業(yè)中利潤很高的一個組成部分。

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖

其中Li+（鋰離子）在內(nèi)電路中，通過電解質(zhì)（electrolyte）傳導(dǎo)

但是鋰電池用久后有的會鼓脹，而在更極端的小概率事件下，有的甚至?xí)l(fā)生危險（比如近來的扭扭車的電池爆炸事件，導(dǎo)致了相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)和電池企業(yè)遇到了全面的困難）。

另外一般來說，現(xiàn)在的鋰離子電池的工作溫度范圍有限，在40 度以上的高溫下壽命會急劇縮短，安全性能會也出現(xiàn)很大的問題（所以特斯拉MODEL S會有一套嚴(yán)格的電池溫控系統(tǒng)，就是為此）。

實際上，以上所說的幾個安全方面的問題都是與我們現(xiàn)在電池用的有機體系的電解液直接相關(guān)的。

而為了解決電池安全問題，提高能量密度，目前科研界和工業(yè)界都在研發(fā)以及生產(chǎn)全固態(tài)電池，也就是把傳統(tǒng)的鋰離子電池的隔膜和電解液，換成固態(tài)的電解質(zhì)材料。

那么說來說去，相比于我們生活中最常見的普通鋰離子電池，全固態(tài)電池的優(yōu)點主要有哪些呢？

固態(tài)電池的優(yōu)勢

優(yōu)勢之一：薄--體積小

實際上，體積能量密度對于電池來說是一個很重要的參數(shù)，如果就應(yīng)用領(lǐng)域來說，要求從高到低是消費電子產(chǎn)品》家用電動汽車》電動公交車。

如果通俗地講，就是體積能量密度高了，因此相同質(zhì)量的電池才能做的體積更小。

電子產(chǎn)品中的可用空間往往很有限，很多產(chǎn)品（例手機、平板電腦）有近1/3左右的體積和質(zhì)量已經(jīng)被電池占據(jù)，而且在廣大生產(chǎn)廠商和消費者希望對電池進一步提高容量（增加續(xù)航）和壓縮體積（便攜美觀和便于設(shè)計）的要求下，高壓縮、體積能量密度最高的鈷酸鋰（LCO）電池依然是當(dāng)仁不讓的主流產(chǎn)品。

傳統(tǒng)鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來占據(jù)了電池中近40%的體積和25%的質(zhì)量。

而如果把它們用固態(tài)電解質(zhì)取代（主要有有機和無機陶瓷材料兩個體系），正負極之間的距離（傳統(tǒng)上由隔膜電解液填充，現(xiàn)在由固態(tài)電解質(zhì)填充）可以縮短到甚至只有幾到十幾個微米，這樣電池的厚度就能大大地降低 --因此全固態(tài)電池技術(shù)是電池小型化，薄膜化的必經(jīng)之路。

不僅如此，很多經(jīng)過物理/化學(xué)氣相沉積（PVD/CVD）制備的全固態(tài)電池，其整體厚度可能只有幾十個微米，因此就可以制成非常小的電源器件，整合到MEMS（微機電系統(tǒng)）領(lǐng)域中。

能夠制成體積非常小的電池也是全固態(tài)電池技術(shù)的一大特色，這可以方便電池適應(yīng)各種新型小尺寸智能電子設(shè)備的應(yīng)用，而在這一點上傳統(tǒng)的鋰離子電池的技術(shù)是很難達到的。

（現(xiàn)在鋰離子電池各組分的（a）體積占比和（b）質(zhì)量占比）

目前許多納米材料實用的一大關(guān)鍵障礙就在于比表面積大，體積密度過低，導(dǎo)致如果基于這些材料制成產(chǎn)品，往往相同質(zhì)量下占據(jù)體積過大，即體積能量密度偏低，完全無法滿足一般工業(yè)品的要求。

所以現(xiàn)在的納米（電池）材料科研中往往選擇了不報道這方面的參數(shù)，原因不難理解。

優(yōu)勢之二：柔性化的前景

全固態(tài)電池可以經(jīng)過進一步的優(yōu)化，變成柔性電池，從而帶來更多的功能和體驗。

實際上，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會變得有柔性。

相應(yīng)的，全固態(tài)電池在輕薄化后柔性程度也會有明顯的提高，通過使用適當(dāng)?shù)姆庋b材料（不能是鋼性的外殼），制成的電池可以經(jīng)受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。

實際上，以各種可穿戴設(shè)備為代表的柔性電子器件是下一代電子產(chǎn)品發(fā)展的重要方向，而這就要求該產(chǎn)品中的元件同樣需要具有柔性，因此柔性全固態(tài)電池是科研與工業(yè)界中，非常有前景的明日之星。

（韓國KAIST制備的典型疊層結(jié)構(gòu)的柔性全固態(tài)電池）

不僅如此，功能化的全固態(tài)電池潛力遠不只以上的柔性電池，經(jīng)過電池材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以制成透明電池，或者是拉伸幅度可達300%的可拉伸電池，或是可以和光伏器件集成化的發(fā)電-存儲一體化器件等等--全固態(tài)電池所意味的功能上的創(chuàng)新應(yīng)用前景還有很多，在這方面科研人員與工程師們的想像力會給我們帶來越來越多的驚喜。

（拉伸變形度可達300%全固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)示意圖）

（太陽能電池和超級電容器一體集成纖維狀器件示意圖）

優(yōu)勢之三：更安全

作為一種能量存儲器件，實際上所有電池在熱力學(xué)實質(zhì)上都不可能是絕對安全的。

但是電池實際應(yīng)用中的決定其真正安全性的因素是多方面的，影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質(zhì)，以及電子產(chǎn)品中的電池管理系統(tǒng)等。

目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關(guān)心的重點，在這里用“不夠理想”來評價現(xiàn)在電池的安全性，應(yīng)該是一個比較合適的評價。

優(yōu)勢之四：輕--能量密度高

使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會發(fā)生改變，其中核心的一點就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以明顯減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高。

此外，許多新型高性能電極材料，可能之前與現(xiàn)有的電解液體系的兼容性并不好，但是在使用全固態(tài)電解質(zhì)后該問題可以得到一定的緩解。

綜合考慮到以上兩大因素，全固態(tài)電池相比于一般鋰離子電池，能量密度可以有一個較大幅度的提升：現(xiàn)在許多實驗室中，都已經(jīng)可以小規(guī)模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池了（一般鋰離子電池是100-220Wh/kg）。

從能量密度的數(shù)據(jù)上看，或許全固態(tài)電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級到“兩天一充”。

固態(tài)電池的技術(shù)路線

固態(tài)電池領(lǐng)域有不同的技術(shù)路線，固體電解質(zhì)可大致分為三類：無機電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPE，Solid Polymer Electrolyte）、復(fù)合電解質(zhì)。目前較多業(yè)者投入研究的材料包括固態(tài)聚合物、硫化物（Sulfide）、氧化物（Oxide）、薄膜（Thin Film）等。像是戴森、蘋果各自收購的固態(tài)電池廠 Sakti3 和 Infinite Power Solutions，皆以薄膜為主，但制程復(fù)雜，量產(chǎn)難度高，先前市場傳出戴森、蘋果有意放棄，故現(xiàn)階段發(fā)展?fàn)顩r不太明朗，而豐田、松下（Panasonic）、三星、寶馬、寧德時代投入硫化物電解質(zhì)，輝能、索尼則是聚焦在氧化物。

蘋果從 2012 年就開始積極布局固態(tài)電池及充電技術(shù)的專利，2013 年收購了 Infinite Power Solutions。近兩三年汽車廠布局固態(tài)電池的消息大幅浮上臺面，像是豐田對外宣示將在 2022 年對外銷售搭載固態(tài)電池的電動車。另外，大眾汽車（Volkswagen）投資了由《麻省理工科技評論》 TR35 青年創(chuàng)業(yè)家 Jagdeep Singh 參與創(chuàng)立的固態(tài)電池初創(chuàng)公司 QuantumScape，去年 6 月加碼投資，并取得 QuantumScape 一席董事，預(yù)計在 2025 年建立固態(tài)鋰電池產(chǎn)線。

而過去的電池大國日本，陸續(xù)舍棄掉鋰電池后，已經(jīng)將研究重點轉(zhuǎn)向固態(tài)電池，日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)（JST）、日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機構(gòu) （NEDO）都積極推動，這些動態(tài)讓外界開始關(guān)注這項技術(shù)。

投入固態(tài)電池的玩家（圖片來源：Yole Développement）

市場關(guān)注的固態(tài)電池公司一覽

固態(tài)電池的技術(shù)瓶頸

目前，包括韓國三星、日本豐田和我國寧德時代在內(nèi)的眾多電池和汽車廠商，都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入，已有部分電池進入裝車測試階段。盡管前景可期，但由于技術(shù)和工藝上的種種問題，發(fā)展固態(tài)電池的道路絕非一帆風(fēng)順。

首先，高效的電解質(zhì)材料體系缺乏。目前固態(tài)電池材料發(fā)展很快，但綜合應(yīng)用較為欠缺。

作為固態(tài)電池的核心材料，目前在固體鋰離子導(dǎo)體的單一指標(biāo)上已有所突破，但綜合性能尚不能滿足大規(guī)模儲能需求?，F(xiàn)今固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質(zhì)普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統(tǒng)的要求仍有不小的差距。

1、固態(tài)電解質(zhì)和電極的界面處理也是固態(tài)電池目前面臨的一大難題。

在固體電解質(zhì)中鋰離子傳輸阻抗很大，與電極接觸的剛性界面接觸面積小，在充放電過程中電解質(zhì)體積的變化容易破壞界面的穩(wěn)定。

2、在固態(tài)鋰電池中，除了電解質(zhì)和電極之間的界面，電極內(nèi)部還存在復(fù)雜的多級界面，電化學(xué)以及形變等因素都會導(dǎo)致接觸失效影響電池性能。

再次，長期使用時穩(wěn)定性不理想也是長壽命儲能固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸。固態(tài)電池在服役過程中結(jié)構(gòu)與界面會隨時間發(fā)生退化，但退化對電池綜合性能的影響機制尚不明確，難以實現(xiàn)長效應(yīng)用。

所以，構(gòu)建高性能固態(tài)電池需要從兩方面入手，一是構(gòu)建高性能的固態(tài)電解質(zhì)，二是提高界面的相容性和穩(wěn)定性。

從某種意義上講，汽車的演變歷史就是電池的進化過程。若論起源，電動汽車也已經(jīng)有了180多年的歷史，出現(xiàn)時間與燃油車不相上下?？摄U酸電池、鎳氫電池均未使電動汽車的地位有所突破。直至磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池的升級才使得部分消費者逐步接受電動汽車。

若固態(tài)電池商用化，電動汽車將加速取代內(nèi)燃機車的步伐。誰率先掌握這項技術(shù)，也將在未來競爭格局中握有更大的話語權(quán)。

編輯：jq