固態(tài)電池原理

固態(tài)電池是一種電池科技。與現(xiàn)今普遍使用的鋰離子電池和鋰離子聚合物電池不同的是，固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池。由于科學(xué)界認(rèn)為鋰離子電池已經(jīng)到達(dá)極限，固態(tài)電池于近年被視為可以繼承鋰離子電池地位的電池。固態(tài)鋰電池技術(shù)采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì)，取代以往鋰電池的電解液，大大提升鋰電池的能量密度。

傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池又被科學(xué)家們形象地稱為“搖椅式電池”，搖椅的兩端為電池的正負(fù)兩極，中間為電解質(zhì)（液態(tài)）。而鋰離子就像優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員，在搖椅的兩端來(lái)回奔跑，在鋰離子從正極到負(fù)極再到正極的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電池的充放電過(guò)程便完成了。

固態(tài)電池的原理與之相同，只不過(guò)其電解質(zhì)為固態(tài)，具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進(jìn)而提升電池容量。因此，同樣的電量，固態(tài)電池體積將變得更小。不僅如此，固態(tài)電池中由于沒(méi)有電解液，封存將會(huì)變得更加容易，在汽車等大型設(shè)備上使用時(shí)，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等，不僅節(jié)約了成本，還能有效減輕重量。

固態(tài)電池優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)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(huì)發(fā)生改變，其中核心的一點(diǎn)就是可以不必使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來(lái)做負(fù)極，這樣可以明顯減輕負(fù)極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高。

優(yōu)勢(shì)二：

薄——體積小。傳統(tǒng)鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來(lái)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(jī)和無(wú)機(jī)陶瓷材料兩個(gè)體系），正負(fù)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(gè)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。

優(yōu)勢(shì)三：

柔性化的前景。即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級(jí)以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會(huì)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(huì)有明顯的提高，通過(guò)使用適當(dāng)?shù)姆庋b材料（不能是剛性的外殼），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。

優(yōu)勢(shì)四：

更安全。傳統(tǒng)鋰電池可能發(fā)生以下危險(xiǎn)：（1）在大電流下工作有可能出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導(dǎo)致短路破壞（2）電解液為有機(jī)液體，在高溫下發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會(huì)加劇。采用全固態(tài)電池技術(shù)，以上兩點(diǎn)問(wèn)題就可以直接得到解決。

固態(tài)電池使用的材料

固態(tài)電池?fù)碛蟹浅ｏ@著的優(yōu)點(diǎn)，由于固態(tài)電解質(zhì)取代了傳統(tǒng)鋰離子電池中可能燃爆的有機(jī)電解液，這解決了高能量密度和高安全性的兩難問(wèn)題，從而將消除電動(dòng)車用戶的“續(xù)航焦慮”，甚至可望實(shí)現(xiàn)快速充電。

迄今為止，經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的不斷努力，固態(tài)電池技術(shù)應(yīng)該說(shuō)已經(jīng)沒(méi)有了不可逾越的技術(shù)瓶頸，但也仍然存在著技術(shù)難題有待解決。“固態(tài)電池的核心技術(shù)是達(dá)到高離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)材料技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)低阻抗固—固界面的先進(jìn)制造技術(shù)。”在固態(tài)電解質(zhì)材料方面，日本東京工業(yè)大學(xué)的菅野了次教授于2011年發(fā)明了室溫下離子電導(dǎo)率》10-2S/cm（超越了傳統(tǒng)有機(jī)電解液）的硫化物固態(tài)電解質(zhì)。

這一技術(shù)成為了目前在固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化方面的龍頭企業(yè)豐田汽車的技術(shù)基礎(chǔ)。與硫化物固態(tài)電解質(zhì)相比，氧化物固體電解質(zhì)在高安全性及易生產(chǎn)性方面更具優(yōu)勢(shì)，但室溫下離子電導(dǎo)率的提升仍是世紀(jì)難題。