本文闡述了全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)(即固態(tài)電解質(zhì)的使用有助于提高鋰電池安全性、能量密度和功率密度，拓寬電池工作溫度范圍和應(yīng)用領(lǐng)域)，指出了作為全固態(tài)電池關(guān)鍵材料的固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)滿足的要求。

電動(dòng)汽車、大規(guī)模儲(chǔ)能和微型器件等領(lǐng)域的發(fā)展要求不斷提高現(xiàn)有二次電池的能量密度、功率密度、工作溫度范圍和安全性，而全固態(tài)鋰電池作為最具潛力的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。

本文闡述了全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)(即固態(tài)電解質(zhì)的使用有助于提高鋰電池安全性、能量密度和功率密度，拓寬電池工作溫度范圍和應(yīng)用領(lǐng)域)，指出了作為全固態(tài)電池關(guān)鍵材料的固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)滿足的要求。

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的日益突顯，人們對(duì)清潔、可再生能源的需求越來(lái)越迫切。實(shí)際應(yīng)用中，太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力等可再生能源需要被轉(zhuǎn)化為電能等二次能源才能廣泛被人們加以利用。為解決這類自然可再生能源與電力需求在時(shí)空分布上的不匹配問(wèn)題，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展必不可少。

在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，即電池的使用受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。

電池儲(chǔ)能具有高效、規(guī)模可調(diào)的特點(diǎn)，既可整合于電力系統(tǒng)作為能量?jī)?chǔ)存單元，起到對(duì)電網(wǎng)削峰填谷的作用，提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，也可用于移動(dòng)通訊、新能源汽車等領(lǐng)域，為人類生活質(zhì)量的提高提供源源不斷的能量支持。

圖1主要電化學(xué)儲(chǔ)能電池比能量及用于電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程比較

二次電池的發(fā)展經(jīng)歷了從早期的鉛酸電池，到后來(lái)的鎳鎘、鎳氫電池，再到現(xiàn)在已商用化的二次鋰離子電池和用于電網(wǎng)儲(chǔ)能的鈉-硫電池等。

鋰電池以鋰元素作為能量輸運(yùn)和存儲(chǔ)介質(zhì)，鋰元素質(zhì)輕(金屬鋰摩爾質(zhì)量為6.94g/mol，是自然界存在的固態(tài)元素中最輕的)和氧化還原電位低(Li+/Li相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位為-3.04V，在所有標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電對(duì)中最低)的特點(diǎn)，使鋰離子電池可獲得比其他類型電池更高的輸出電壓和能量密度(圖1)。

因此，自1991年索尼公司推出第一款商用二次鋰離子電池以來(lái)，鋰電池在全球范圍內(nèi)迅速普及，成為許多便攜式電子產(chǎn)品首選的電源類型。

近年來(lái)，伴隨著電動(dòng)汽車的興起，以及可再生能源發(fā)電對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能裝置的迫切需求，鋰電池的研究再度升溫，開(kāi)發(fā)安全、大容量、大功率和長(zhǎng)壽命的二次鋰電池成為焦點(diǎn)。

圖2二次鋰離子電池和鋰-空氣電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理示意

目前商業(yè)化的鋰電池以石墨作為負(fù)極，正極采用可嵌入/脫出鋰離子的氧化物材料結(jié)構(gòu)，如LiCoO2等，電解質(zhì)為溶有鋰鹽的有機(jī)溶液，鋰元素在整個(gè)電池中以離子形式存在，故被稱為鋰離子電池(圖2(a))。

鋰離子電池顯著削弱了以鋰為工作介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，可以認(rèn)為是一種過(guò)渡產(chǎn)品。為進(jìn)一步擴(kuò)大鋰電池的能量密度，目前的研究:

一方面著力于探索抑制鋰枝晶生長(zhǎng)的方法，使鋰金屬作為負(fù)極成為可能;

另一方面則集中于獲得更高容量或電極電勢(shì)的正極材料。例如，以單質(zhì)硫或者氧氣作為正極，利用二者超高的單位質(zhì)量?jī)?chǔ)鋰能力(每克硫1672mA·h;每克氧氣3862mA·h)，可以顯著提升電池的容量。這樣形成的鋰電池又分別稱為鋰-硫電池和鋰-氧氣(空氣)電池(圖2(b))。

車用動(dòng)力鋰電池，除需滿足長(zhǎng)續(xù)航里程和大功率充放電的要求外，安全性尤為重要。目前商用的鋰離子電池，在短路情況發(fā)生時(shí)釋放大量熱量，會(huì)引燃有機(jī)電解液，產(chǎn)生爆炸隱患，顯然難以廣泛使用。

即使是目前被認(rèn)為最安全的特斯拉汽車，使用了復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)和防護(hù)措施，仍在問(wèn)世短短的幾年內(nèi)發(fā)生多次著火爆炸事故。

此外，有機(jī)電解液還存在的問(wèn)題包括:

電化學(xué)窗口有限，難以兼容金屬鋰負(fù)極和新研發(fā)的高電勢(shì)正極材料;

鋰離子并非唯一的載流子，在大電流通過(guò)時(shí)，電池內(nèi)阻會(huì)因離子濃度梯度的出現(xiàn)而增加(濃差極化)，電池性能下降;

工作溫度有限(安全工作溫度0～40℃);

與負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)，生成SolidElectrolyteInterphase(SEI)層，造成2種材料的持續(xù)消耗，使電池容量不斷下降。

用固態(tài)電解質(zhì)代替有機(jī)電解液，有望從根本上解決上述問(wèn)題，這樣形成的鋰電池稱為固態(tài)鋰電池。本文首先闡述固態(tài)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)，然后對(duì)固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵材料——固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展情況進(jìn)行綜述，并在此基礎(chǔ)上介紹全電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，以及目前仍存在的問(wèn)題。