根據近期流傳的技術趨勢預測，全固態鋰電池，可能在2030年之前實現固態電解質技術突破，單體能量密度超過500Wh/kg的目標，并且達到量產能力。今天關注一下全固態電解質鋰電池。

1鋰電池的種類

鋰電池的分類方法比較多，可以按照正極材料類型劃分，負極材料類型劃分，電解液類型劃分等等，我們常說的三元材料還是磷酸鐵鋰或者錳酸鋰，就是按照正極材料劃分的結果。在鋰電池當前發展階段上，鋰電池性能上的差異主要表現在正極材料的差異上，因此人們習慣于用正極材料的名稱給一個技術路線命名。

今后兩年，高鎳三元將成為量產可能性最高的一種技術路線，而含鎳量的不同，又成了技術路線的名字，622、811，這是鎳鈷錳在三元正極材料中的占比關系。這仍然是一種針對正極材料差異的提法。

歐陽明高院士最近給出的技術路線預測中，高鎳以后，能量密度達到400Wh/kg的希望，很大程度上寄托在全固態電池的身上。固態電池，相對于傳統鋰電池的液態電解液而言的，電解質為導電率很高的純固態物質，這是一種針對電解液形態的命名方式。

與固態電池平行的另外兩種技術路線應該可以叫做液態電解液鋰電池和半固態電解液鋰電池。液態電解液鋰電池，傳統稱呼中三元、磷酸鐵鋰、錳酸鋰都屬于液態電解液鋰電池范圍。半固態電解液，電解質是介于固態和液態之間的狀態，現在常見的材料是聚合物電解質，在常溫下為凝膠態。

2全固態鋰電池的優缺點

優點

1）安全性好，電解質無腐蝕，不可燃，也不存在漏液問題；

2）高溫穩定性好，可以在60℃-120℃之間工作；

3）有望獲得更高的能量密度。固態電解液，力學性能好，有效抑制鋰單質直徑生長造

成的短路問題，使得可以選用理論容量更高的電極材料，比如鋰單質做負極；固態電解質的電壓窗口更寬，可以使用電位更高的材料做正極而不惜擔心電解質分解問題；

4）固態電解質支持電芯薄膜化設計，最小可以達到幾個納米，拓寬了鋰電池的應用范圍，并且使得電池自帶柔性成為可能。

5）可以選用電阻較大、充放電過程體積變化比較大的材料做正負極，薄膜化的正負極材料，只要成膜性能好，即使材料電阻偏大，只要足夠薄以后，依然不會給電池特性帶來明顯影響。

缺點

1）溫度較低的時候，內阻比較大；

2）材料導電率不高，功率密度提升困難；

3）制造大容量單體困難；

4）大規模制造中的正負極成膜技術還在集中火力研究中。

3全固態鋰電池組成

全固態鋰電池，主要由薄膜負極，薄膜正極和固態電解質組成。薄膜物質可以有多種選擇材質。

3.1薄膜負極

薄膜負極材料主要分為鋰金屬及金屬化合物，氮化物和氧化物。

金屬鋰是最具代表性的薄膜負極材料。其理論比容量高達3600mAh/g，金屬鋰非常活潑，其熔點只有180℃，非常容易與水和氧發生反應，電池制造工藝中很多溫度較高的焊接方式都不能直接應用在鋰金屬負極電芯的生產中。

鋰合金材料不但具有較高的理論比容量，還可以降低鋰的電化學活性。常見的鋰金屬化合物有LixSi、LixAl、LixPb等。但鋰化合物在充放電過程中，體積變化明顯，容易造成晶格結構的崩塌。

氮化物負極材料可以分為鋰金屬氮化物，鋰過渡金屬氮化物和非金屬氮化物。鋰金屬氮化物可逆容量高，嵌鋰平臺低，主要種類有CrN、Cu3N、Ge3N4等。鋰過渡金屬氮化物有Li3-xCoxN、Li3FeN2等；非鋰金屬氮化物有SiN,VN等。氮化物做負極的主要特點是高的離子電導率和可逆容量。

氧化物負極材料可以分為金屬氧化物和金屬基復合氧化物。金屬氧化物負極有TiO2、Al2O3、In2O3、SiOx等；金屬基復合物氧化物有Li4Ti5O12、LixMoO2、LixWO2、LiNiVO4、SnAlxOy等；SiOx和SnAlxOy等容量雖然高，但衰減也比較明顯。LixMoO2循環性好，但容量比較低。具有尖晶石結構的Li4Ti5O12被稱為“零應材料”，是穩定性極好的一種負極材料。

3.2薄膜正極

大多數能夠膜化的高電位材料均可用于固態化鋰電薄膜正極材料。薄膜正極材料主要分為金屬氧化物，金屬硫化物和釩氧化物。

適合做正極材料的金屬化合物，多數已經在傳統鋰電池領域得到了應用，比如LiMn2O4、LiCoO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiNiO2、LiFePO4等。

金屬硫化物被用作鋰電池正極材料，包括TiS2、FeS2、SnS2和CuS2等。其中，TiS2薄膜材料的能量密度達到了450Whkg-1，在嵌入和脫嵌鋰過程中擁有接近100%的庫倫效率。

釩氧化物做正極材料，主要是指V2O5，無定形V2O5材料循環穩定性好，可逆容量高，是一種比較有研究潛力的材料。

3.3固體電解質

固體電解質，以固態形式在正負極之間傳遞電荷，要求固態電解質有高的離子電導率和低的電子電導率。固態化電解質大致可以分為無機固態電解質、固態聚合物電解質和無機有機復合固態電解質。

無機固態電解質是典型的全固態電解質，不含液體成份，熱穩定性好，從根本上解決了鋰電池的安全問題。加工性好，厚度可以達到納米尺寸，主要用于全固態薄膜電池。無機固態電解質，從構型不同的角度出發，又包括NASICON結構，LISICON結構和ABO3的鈣鈦礦結構。鋰金屬化合物比鈉金屬化合物的電導率大，這是構型中，鋰離子所處的空間位置決定的。鈣鈦礦結構的化合物主要是利用A位的空缺來增加鋰離子的活動空間來提高鋰離子電導率。

玻璃態的無機固態電解質主要有氧化物(例如，P2O5、B2O3、SiO2、Li2O等)、硫化物(Li2S、SiS2等)、硫氧化物(LiS-SiS2中摻入少量的Li3PO4、LiAlO2、Li2SiO3等)和氮氧化物(LiPON、LiSiPON、LiSON)等。其中硫化物的熱穩定性比較差，加入適當的氧化物，可以提高固態電解質的穩定性和離子導電率。

無機固態電解質離子電導率較高，電子電導率較低，電化學穩定窗口寬，結構穩定，易于成膜，工藝簡單，具有廣闊的應用前景。

固態化聚合物電解質，由鋰鹽和聚合物構成，大致可以分為全固態類和凝膠類。全固態類是由鋰鹽和高分子基質絡合而成的。鋰鹽例如：LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6等。高分子基質比如：PEO、PAN、PVDF、PVDC和PMMA等。凝膠類是由鋰鹽與液體塑化劑，溶劑等與聚合物基質形成穩定凝膠的電解質材料。電化學穩定性良好，安全性較好，工藝簡單。現在我們常說的聚合物鋰電池，擁有加高的能量密度和較好的安全性，其電解質就是凝膠類聚合物作為電解質的產品。

無機有機復合固態電解質，是指在聚合物的固態電解質當中加入無機填料所形成的一類電解質。一定量活性無機填料的加入可以增加鋰離子擴散通道，離子電導率明顯提高。

全固體電解質的研究主要集中在開發高電導率無機電解質和有機-無機復合電解質。硫化物固體電解質具有較高的室溫離子電導率，但是其環境穩定性差。氧化物固體電解質化學穩定性好，但室溫離子電導率較低。有機-無機復合電解質兼具有機物良好的柔性和無機物高的機械強度，但是由于聚合物基體的電導率低，且低溫環境下易結晶，因此復合電解質的室溫電導率偏低。

4全固態電池的界面問題

全固態鋰電池，一個重要的技術難點是電解質與電極之間形成高電阻界面問題。整個技術都還在發展過程中，對此問題暫時沒有統一的觀點，一般推測的全固態電池正負極與電解質之間的界面形成原因：

1）由于外加電壓高于電解質能夠承受的電壓范圍，使得電解質發生氧化或者還原，進而在正極或者負極表面上形成界面；

2）固體電解質的性質本身就與電極材料不相容，因而發生反應，生成物結成界面；

3）充放電過程中，離子的嵌入脫出過程的副產物，形成電極與固態電解質的界面。

參考文獻

1任耀宇，全固態鋰電池研究進展；

2楊同歡，全固態薄膜鋰電池研究進展；

3張強，全固態鋰電池界面的研究進展；

4許曉雄，全固態鋰電池電極_電解質界面調控研究

5俞兆喆，固態化薄膜鋰電池及相關材料的制備與性能研究；

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7陳牧，全固態薄膜鋰電池研究進展和產業化展望。