無(wú)論何時(shí)，隨著(zhù)生活質(zhì)量的提升，工業(yè)農業(yè)或高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)等也在逐步完成提升升級，電池行業(yè)也亦如此。

哥倫比亞大學(xué)資料科學(xué)與工程學(xué)院的助理教授楊遠開(kāi)發(fā)了一種提升鋰離子電池能量密度的全新方法。他的三層結構電極能在裸露的空氣環(huán)境中維持穩定，因此使得電池電量愈加耐久、制作本錢(qián)進(jìn)一步下降。此項方法可以將鋰電池的能量密度提升10-30％。

1.多技術(shù)途徑并存，全球工業(yè)加速布局

電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰電池技術(shù)的中心。全固態(tài)鋰電池的電解質(zhì)材料很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項功能參數，如功率密度、循環(huán)安穩性、安全功能、高低溫功能以及運用壽命。

依據固態(tài)電解質(zhì)資料類(lèi)別，可以分為聚合物全固態(tài)鋰電池和無(wú)機物全固態(tài)鋰電池，不同類(lèi)型的電解質(zhì)其功能具有較大的差異，依據結構規劃的不同，全固態(tài)鋰電池又可分為薄膜型和大容量型。

1)聚合物電池高溫作業(yè)功能好，最早完結商業(yè)化

聚合物電池高溫作業(yè)功能較好，現在最優(yōu)技術(shù)道路，最早完結小規劃工業(yè)化。聚合物全固態(tài)電池的電解質(zhì)首要是聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等，其間聚環(huán)氧乙烷(PEO)研討開(kāi)發(fā)最早也最為老練。在高溫條件下，聚合物(如PEO)離子電導率高，能與正極復合構成接連的離子導電通道，且對金屬鋰具有較高的安穩性，聚合物簡(jiǎn)單成膜，其柔性易于加工，既可以制成薄膜型，也能制成大容量型，運用規劃廣，因此跟著(zhù)材料功能前進(jìn)和制作工藝的改進(jìn)，使得聚合物全固態(tài)鋰電池成為最簡(jiǎn)單也是最早完結了小規劃商業(yè)化出產(chǎn)。不過(guò)現在聚合物室溫電導率較低以及較低的電壓其大規劃工業(yè)化開(kāi)展仍有約束。聚合物固態(tài)鋰電池的開(kāi)發(fā)首要以Bolloré、CATL、Seeo、中科院青島生物動(dòng)力與進(jìn)程研討所為代表。

Bolloré出產(chǎn)出的全固態(tài)二次電池(LMP)，負極資料選用金屬鋰，電解質(zhì)選用聚合物(PEO等)薄膜，現在現已批量運用在法國的EV同享效勞轎車(chē)“Autolib”和小型電動(dòng)巴士“Bluelus，整體運用超越3000輛。

Seeo開(kāi)發(fā)的全固體二次電池選用大創(chuàng )公司的干聚合物薄膜，供給的樣品電池組能量密度為130-150Wh/kg，2017年能量密度能到達300Wh/kg。

國內CATL在聚合物方面也開(kāi)展較快，現在現已規劃制作出了容量為325毫安時(shí)的聚合物電芯，體現出較好的高溫循環(huán)功能。

2017年4月中科院青島生物動(dòng)力與進(jìn)程研討所獲得重大進(jìn)展，該所開(kāi)發(fā)的大容量固態(tài)聚合物鋰電池“青能I號”完結深?？瓶?，據悉，其能量密度超越250 Wh/kg，500次循環(huán)容量堅持80%以上，在多次針刺和揉捏等嚴苛測驗條件下堅持非常好的安全功能。別的，“青能II號”也現已研制成功，能量密度高達300 Wh/kg。

2)硫化物功能參數極佳，開(kāi)發(fā)潛力巨大

硫化物在作業(yè)功能參數上體現杰出，且易于加工。硫化物全固態(tài)電池的首要電解質(zhì)是thio-LISICON和 LiGPS、LiSnPS 、LiSiPS等。

首要，相關(guān)于聚合物和氧化物，硫化物的電導率較高，室溫電導率可以到達10-3~10-2 S/cm，挨近乃至超越有機電解液。其次，電化學(xué)窗口較寬(可完結5V以上)以及構成膜今后具有比較好的界面安穩性。最后硫化物與聚合物相似，硫化物柔性也較強，易于加工，較大的規劃彈性拓寬了硫化物全固態(tài)鋰電池的運用規劃。硫化物仍面對界面問(wèn)題和硫化物離子環(huán)境弱安穩性的約束要素。歸納來(lái)看，硫化物有著(zhù)巨大的開(kāi)發(fā)潛力，CATL、豐田等國內外企業(yè)紛繁加速布局。

3)氧化物循環(huán)功能杰出，適用于薄膜型結構規劃

氧化物全固態(tài)鋰電池：氧化物循環(huán)功能杰出，技能壁壘較高，研討仍處于初期階段。氧化物全固態(tài)電池的電解質(zhì)首要是：LiPON、NASICON等，其間LiPON研討最為老練，以L(fǎng)iPON為電解質(zhì)資料時(shí), 正負極資料有必要選用磁控濺射、脈沖激光堆積、化學(xué)氣相堆積等辦法制成薄膜電極，然后制成薄膜型結構的全固態(tài)鋰電池。

氧化物電池最為杰出的就是其優(yōu)異的電池倍率功能及循環(huán)功能，它可以在50C下作業(yè), 循環(huán)45000次后, 容量堅持率達95%以上。一起，LiPON對金屬鋰安穩，電化學(xué)窗口寬(相關(guān)于Li+/Li 為 0~5.5 V)，對電子絕緣。此外，氧化物電解質(zhì)對空氣和熱安穩性高，質(zhì)料本錢(qián)低，在實(shí)踐工業(yè)化方面更易完結規劃化制備。不過(guò)，氧化物的低室溫電導率以及界面問(wèn)題是氧化物全固態(tài)鋰電池開(kāi)發(fā)運用的首要妨礙，現在處于前期研討階段。

氧化物固態(tài)鋰電池的開(kāi)發(fā)現在首要有美國橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室，Quantum Scape，Sakti3以及中科院?，F在現已小批量出產(chǎn)的固態(tài)電池首要是以無(wú)定形LiPON為電解質(zhì)的薄膜電池，該項技能界面問(wèn)題比較難處理，Sakti3稱(chēng)可以經(jīng)過(guò)單元疊加串聯(lián)的辦法，將MWh等級的薄膜電池組裝成kWh等級的EV用電池。其它企業(yè)沒(méi)有發(fā)現存在可工業(yè)化的產(chǎn)品。從現在來(lái)看，室溫離子電導率和界面問(wèn)題加大了單純的氧化物基固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)難度，現在仍處于處于前期的研討階段。

歸納來(lái)看，全固態(tài)電池是未來(lái)的重要開(kāi)展方向已是業(yè)界一致，全球工業(yè)巨子紛繁加速布局腳步，期望在全固態(tài)鋰電池范疇搶占先機。

2.能量與安全功能持續提升，固態(tài)鋰電池優(yōu)點(diǎn)突出

固態(tài)鋰電池有望成為下一代鋰電池開(kāi)展的重要方向。各國為完結既定的高能量密度的方針，均在積極地進(jìn)行鋰硫電池、鋰空氣電池、或鋰金屬電池等電池的先導性研討。從當時(shí)能量密度繼續前進(jìn)的態(tài)勢及研制的進(jìn)展來(lái)看，我國提出的2025年400Wh/kg的能量密度要求較高，正加速倒逼新式電池技術(shù)的研制及運用?，F在，一些企業(yè)研制出的全固態(tài)鋰電池能量密度可達300-400Wh/kg，其有望成為作為下一代高能量密度動(dòng)力和儲能電池技術(shù)的重要開(kāi)展方向，全固態(tài)鋰電池的研制和運用已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一致。

相較于傳統鋰電池，固態(tài)鋰電池的差異在于電解質(zhì)固態(tài)化。全固態(tài)鋰電池與傳統鋰電池相同，包含電池各單元(正極、負極、電解質(zhì))，其工作原理與傳統鋰電池的原理相同。
在電解質(zhì)方面，固態(tài)鋰電池選用聚合物、無(wú)機物等固態(tài)電解質(zhì)代替了傳統鋰電池中的液態(tài)電解質(zhì)(有機電解液)，當時(shí)首要以thio-LISICON硫化物、氧化物、聚合物和硼氫化鋰基等作為固體電解質(zhì)，這是二者的中心差異，正是因為這種差異，電解質(zhì)鹽、隔閡與黏接劑等化學(xué)物質(zhì)都不再運用，全固態(tài)鋰電池結構大為簡(jiǎn)化?，F在電解質(zhì)的研討首要會(huì )集在高電導率的復合型電解質(zhì)等研制。
在正極方面，以往研討中全固態(tài)鋰電池首要運用LiCoO2作為正極材料，此外也有LiFePO4、LiMn2O4、三元材料等傳統氧化物正極，還能兼容更高電壓的氧化物正極、高容量硫化物正極等。正極的研討方向會(huì )集在下降正極的界面阻抗，前進(jìn)高倍率放電功能，辦法如原位表面潤飾等。
在負極方面，全固態(tài)鋰電池除了石墨負極之外，一系列高功能負極材料也在不斷開(kāi)發(fā)運用，包含金屬Li(Li-In合金)、碳族(如碳基、硅基和錫基)、以及氧化物等負極材料。

固態(tài)鋰電池安全性及高能量密度的功能優(yōu)勢杰出。固態(tài)鋰電池在承繼傳統鋰電池的長(cháng)處根底上，安全性、能量密度等方面有了大幅提高。
1)安全性極高：與傳統鋰電池比較，全固態(tài)電池最突出的長(cháng)處是安全性。液態(tài)電解質(zhì)易燃易爆，以及在充放電進(jìn)程中鋰枝晶的生長(cháng)簡(jiǎn)單刺破隔閡，引起電池短路，構成安全隱患。而固態(tài)電解質(zhì)不行燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)?wèn)題，也克服了鋰枝晶現象，因此全固態(tài)電池具有極高安全性。

2)能量密度的提高：一是電壓渠道的提高，電池能量密度將增大。有機電解質(zhì)電化學(xué)窗口有限，難以兼容金屬鋰負極和新研制的高電勢正極材料，但是固態(tài)電解質(zhì)比有機電解液遍及具有更寬的電化學(xué)窗口，有利于進(jìn)一步提高電池的能量密度。二是固態(tài)電解質(zhì)能隔絕鋰枝晶生長(cháng)，材料運用系統規劃大幅提高，為具有更高能量密度空間的新式鋰電技能奠定根底?，F在全固態(tài)鋰電池研制可供給的能量密度基礎可達300-400Wh/kg。

3)循環(huán)功能增強：液態(tài)電解質(zhì)在充放電進(jìn)程中可與鋰離子產(chǎn)生不可逆反應，構成固體電解質(zhì)界面膜(SEI)，會(huì )導致活性物質(zhì)和電解質(zhì)的丟失，下降了庫倫功率。而固態(tài)電解液處理了固體電解質(zhì)界面膜(SEI)的問(wèn)題和鋰枝晶現象，大大前進(jìn)了鋰電池的循環(huán)性和運用壽命。

4)適用規劃擴展：固態(tài)電解質(zhì)賦予固態(tài)鋰電池結構緊湊、規劃可調、規劃彈性大等特點(diǎn)，固態(tài)電池既可以規劃成厚度僅幾微米的薄膜電池，用于驅動(dòng)微型電子器件，也可制成大容量電池，用于動(dòng)力和儲能范疇。此外，固態(tài)資料內在的高低溫安穩性，為全固態(tài)電池在更寬的溫度規劃(作業(yè)溫度規劃約為-25攝氏度到60攝氏度)內作業(yè)供給了根本確保。

3.技術(shù)難題正被逐一攻破，轉型固態(tài)電池瓜熟蒂落

多項技術(shù)正逐漸推進(jìn)，同源系統本錢(qián)下降指日可待。全固態(tài)電池首要面對以下幾大技術(shù)難題：固態(tài)電解質(zhì)與正負極之間界面阻抗過(guò)高、固態(tài)電解質(zhì)電導率偏低、材料本錢(qián)制備本錢(qián)貴重等，現在不斷有企業(yè)和科研機構提出相應的處理方案。

一旦技術(shù)得到整合運用，固態(tài)電池將能完結工業(yè)化，規劃化出產(chǎn)后也可以大幅度下降固態(tài)電池的出產(chǎn)本錢(qián)。據Sakti3創(chuàng )始人Ann Marie Sastry表明，現在固態(tài)電池出產(chǎn)功率較低，導致本錢(qián)較高，一旦規劃化出產(chǎn)，固態(tài)電池本錢(qián)有望下降至100美元/千瓦時(shí)，僅為液態(tài)鋰電池的一半左右(液態(tài)鋰電池的本錢(qián)大約在200~300美元/千瓦時(shí))。

固態(tài)鋰電池結構簡(jiǎn)化助提出產(chǎn)功率，傳統鋰電企業(yè)轉型便利。固態(tài)電池工業(yè)化取決于詳細的資料技能與電池技能處理方案的打破，一旦要害材料、極片、正負極與電解質(zhì)匹配的技術(shù)打破，因為其比較傳統鋰離子電池出產(chǎn)更易完結運用全自動(dòng)化設備出產(chǎn)，可以較快速的完結工業(yè)化。

因為全固態(tài)鋰離子電池結構簡(jiǎn)化、無(wú)需注入電解液，封裝功率高，大容量的鋰電池與固態(tài)氧化物染料相結合，使得電磁構建的工藝優(yōu)化、高效聯(lián)接，且單體內可以采取層疊串聯(lián)技能，可選用印刷等新式技能規劃化自動(dòng)化出產(chǎn)，然后前進(jìn)出產(chǎn)功率，下降規劃本錢(qián)。

與傳統鋰電池電芯制作配備比較，固態(tài)電池的制作配備雖存在不同，但也不存在革命性的立異，僅僅制作環(huán)境需求在更高要求的枯燥間進(jìn)行，這關(guān)于大多數傳統鋰電企業(yè)來(lái)說(shuō)要添加的投入本錢(qián)不是很高，尤其是關(guān)于具有超級電容器、鋰離子電容器、預鋰化、鈦酸鋰、鎳鈷鋁等空氣靈敏儲能期間或資料的企業(yè)來(lái)說(shuō)，制作環(huán)境根本一致。

革新總歸需要時(shí)間，期待更完善的電池技術(shù)的面世。