鉅大LARGE | 點擊量：3387次 | 2021年04月14日
什么是全固態(tài)電池？全固態(tài)電池有什么優(yōu)勢
假如通俗地講，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="/keywords/lilizi/" class = "seo-anchor" data-anchorid=121 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）。
本文也會著重介紹全固態(tài)鋰離子電池（以下將全部簡稱為全固態(tài)電池）的各方面，以饗讀者。
一般來說，鋰離子電池重要由正極、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)是鋰離子電池的核心技術(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)
但是很多讀者可能發(fā)現(xiàn)過自己的鋰離子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)公司和電池公司遇到了全面的困難）。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MODELS會有一套嚴(yán)格的電池溫控系統(tǒng)，就是為此）。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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)點重要有什么呢？
固態(tài)電池有什么優(yōu)勢？
優(yōu)勢之一：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。
另外，電池技術(shù)的前進受到電化學(xué)規(guī)律的制約，其容量上升是有理論極限的，一般很難以一個較大的幅度出現(xiàn)飛越式的、顛覆式的發(fā)展。因此建議廣大讀者擦亮眼睛，一但發(fā)現(xiàn)有性能翻一/幾番，幾分鐘充滿電，成本下降70%一類新聞時，要加倍警覺，因為此類新聞宣傳誤導(dǎo)的嫌疑很大，而背后存在的問題往往總是避而不談。
優(yōu)勢之二：薄體積小
實際上，體積能量密度關(guān)于電池來說是一個很重要的參數(shù)，假如就應(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。
假如通俗地講，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（新增續(xù)航）和壓縮體積（便攜美觀和便于設(shè)計）的要求下，高壓實、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，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。而假如把它們用固態(tài)電解質(zhì)取代（重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)致假如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)勢之三：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。優(yōu)勢之四：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。
