傳統(tǒng)鋰離子電池采用有機液體電解液，在過度充電、內部短路等異常的情況下，電池容易發(fā)熱，造成電解液氣脹、分解、自燃甚至爆炸，存在嚴重的安全隱患，這也是目前三元材料的一個短板。而基于固體電解質的全固態(tài)鋰離子電池，采用固體電解質，不含易燃、易揮發(fā)組分，徹底消除電池因漏液引發(fā)的電池冒煙、起火等安全隱患，被稱為最安全電池體系。

關于能量密度，中、美、日三國政府希望在2020年開發(fā)出400～500Wh/kg的原型器件，2025～2030年實現量產。根據目前材料體系發(fā)展路線，最有可能的就是金屬鋰負極的使用，金屬鋰在傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池中存在枝晶、粉化、SEI不穩(wěn)定、表面副反應多等諸多技術問題，而固態(tài)電解質與金屬鋰的兼容性使得使用鋰作負極成為可能，從而顯著實現能量密度的提升。

從出現的時間節(jié)點來看，全固態(tài)金屬鋰離子電池要早于液態(tài)鋰離子電池，只不過在早期，全固態(tài)金屬鋰離子電池的電化學性能、安全性、工程化制造方面一直無法滿足應用要求。液態(tài)鋰離子電池通過不斷改進，綜合技術指標逐漸滿足消費電子類市場應用需求，后來被更多的市場所接受。從技術發(fā)展趨勢來看，相比液態(tài)鋰離子電池，全固態(tài)金屬鋰離子電池有可能具有安全性能好、能量密度高和循環(huán)壽命長等優(yōu)點。

2.全固態(tài)鋰二次電池可能具備的優(yōu)勢

全固態(tài)鋰離子電池相比于液態(tài)鋰離子電池所具有的優(yōu)勢包括：

(1)安全性能高

由于液態(tài)電解質中含有易燃的有機溶劑，發(fā)生內部短路時溫度驟升容易引起燃燒，甚至爆炸，要安裝抗溫升和防短路的安全裝置結構，這樣會新增成本，但仍無法徹底解決安全問題。號稱BMS做到全球最好的特斯拉，在今年僅國內就有ModelS發(fā)生嚴重起火事件。

很多無機固體電解質材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，也有望克服鋰枝晶現象，因而基于無機固體電解質的全固態(tài)鋰二次電池有望具有很高的安全特性。聚合物固體電解質仍然存在一定的可燃燒風險，但相比于含有可燃溶劑的液態(tài)電解液電池，安全性也有較大提高。

(2)能量密度高

目前，市場中應用的鋰離子電池電芯能量密度最高達到300Wh/kg左右。對全固態(tài)鋰離子電池來說，假如負極采用金屬鋰，電池能量密度有望達到300-400Wh/kg，甚至更高。要說明的是，由于固體電解質密度高于液態(tài)電解質，關于正負極材料相同的體系，液態(tài)電解質的鋰離子電池能量密度要顯著高于全固態(tài)鋰離子電池。之所以說全固態(tài)鋰二次電池能量密度高，是因為負極可能采用金屬鋰材料。

(3)循環(huán)壽命長

固體電解質有望防止液態(tài)電解質在充放電過程中持續(xù)形成和生長固體電解質界面膜的問題和鋰枝晶刺穿隔膜問題，有可能大大提升金屬鋰離子電池的循環(huán)性和使用壽命。

(4)工作溫度范圍寬

全固態(tài)鋰離子電池假如全部采用無機固體電解質，最高操作溫度有望提高到300℃甚至更高，目前，大容量全固態(tài)鋰離子電池的低溫性能有待提高。具體電池的工作溫度范圍，重要與電解質及界面電阻的高低溫特性有關。

(5)電化學窗口寬

全固態(tài)鋰離子電池的電化學穩(wěn)定窗口寬，有可能達到5V，適應于高電壓型電極材料，有利于進一步提高能量密度。目前主流的三元電池在4.2V-4.5V之間。

(6)具備柔性優(yōu)勢

全固態(tài)鋰離子電池可以制備成薄膜電池和柔性電池，未來可應用于智能穿戴和可植入式醫(yī)療設備等。相關于柔性液態(tài)電解質鋰離子電池，封裝更為容易、安全。

3全固態(tài)鋰二次電池目前存在的缺陷和部分解決方法

雖然全固態(tài)鋰二次電池在多方面表現出明顯優(yōu)勢，但同時也有一些迫切要解決的問題，針對這些問題，工程師們進行了各種嘗試，并給出了部分可能的解決途徑如下表所示：

4.核心材料

(1).固體電解質

固體電解質是全固態(tài)鋰二次電池的核心部件，其進展直接影響全固態(tài)鋰二次電池產業(yè)化的進程。目前固體電解質的研究重要集中在三大類材料：聚合物、氧化物和硫化物。

聚合物固體電解質（SPE），由聚合物基體（如聚酯、聚醚和聚胺等）和鋰鹽（如LiClO4、LiAsF6、LiPF6等）構成，自從1973年P.V.Wright在堿金屬鹽復合物中發(fā)現離子導電性后，聚合物材料由于其質量較輕、彈性較好、機械加工性能優(yōu)良的固態(tài)電化學特性而受到廣泛關注。SPE也是最早實現實際應用的固體電解質。

氧化物固體電解質按照物質結構可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩類，其中晶態(tài)電解質包括鈣鈦礦型、反鈣鈦礦型、石榴石型、NASICON型、LISICON型等，非晶態(tài)氧化物的研究熱點是用在薄膜電池中的LiPON型電解質和部分晶化的非晶態(tài)材料。

硫化物固體電解質是由氧化物固體電解質衍生出來的，電解質中的氧化物機體中氧元素被硫元素所取代。由于硫元素的電負性比氧元素要小，對鋰離子的束縛要小，有利于得到更多自由移動的鋰離子。同時，硫元素的半徑比氧元素要大，當硫元素取代氧元素時使晶格結構擴展，形成較大的鋰離子通道而提升導電率，室溫下可達10-4-10-2S/cm。

(2).正極材料

全固態(tài)鋰二次電池的正極一般采用復合電極，除了電極活性物質外還包括固體電解質和導電劑，在電極中起到同時傳輸離子和電子的用途。LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4研究較為普遍，后期可能開發(fā)高鎳層狀氧化物、富鋰錳基及高電壓鎳錳尖晶石型正極，也同時應關注不含鋰的新型正極材料的研究和開發(fā)。

(3).負極材料

全固態(tài)鋰二次電池的負極材料目前重要集中在金屬鋰負極材料、碳族負極材料和氧化物負極材料三大類，三大材料各有優(yōu)缺點，其中金屬鋰負極材料因其高容量和低電位的優(yōu)點成為全固態(tài)鋰離子電池最重要的負極材料之一。

5全固態(tài)鋰二次電池容量劃分及對應應用領域與制備工藝

因這塊量產的較少，工藝系那個對不成熟，我借鑒了同行的文章描述這個制造工藝。從全固態(tài)鋰二次電池的形態(tài)上可以分成薄膜型和大容量型兩大類。各類型全固態(tài)鋰離子電池的電芯封裝技術大同小異，重要差別在于極片和電解質膜片的制備。

薄膜型全固態(tài)鋰二次電池在襯底上將電池的各種元素按照正極、電解質、負極的順序依次制備成薄膜、最后封裝成一個電池。在制備過程中要采用相對應的技術分別制備電池各薄膜層，一般來說負極選擇金屬鋰居多，采用真空熱氣相沉積（VD）技術制備；電解質和正極包括氧化物的負極可以采用各種濺射技術，如射頻濺射（RFS）、射頻磁控濺射（RFMS）等，目前也有研究用3D打印技術來制備薄膜。

大容量全固態(tài)鋰二次電池，由于應用面寬，市場很大，要能快速、低成本的規(guī)模制備，在液態(tài)鋰離子電池中廣泛使用的高速擠壓涂布或噴涂技術可以借鑒?；诰酆衔锕腆w電解質的大容量全固態(tài)鋰二次電池制備與現有鋰離子電池的卷繞工藝接近。但是，考慮到目前無機固體電解質膜的柔韌性不佳，在制備全固態(tài)鋰二次電池時更多的采用疊片工藝，至于具體是分別制備電解質與正負極膜片后疊合，還是采用雙層或多層一次涂布制備電解質和正極的復合層，更適合規(guī)?；a的技術路線還有待進一步的研究。

全固態(tài)鋰二次電池的生產設備雖然與傳統(tǒng)鋰離子電池電芯生產設備有較大差別，但從客觀上看也不存在革命性的創(chuàng)新，可能80%的設備可以延續(xù)鋰離子電池的生產設備，只是在生產環(huán)境上有了更高的要求，要在更高級別的干燥間（全線露點-40℃以下）內進行生產，這關于具備超級電容器、鋰離子電容器、鎳鈷鋁、預鋰化、鈦酸鋰等空氣敏感儲能器件或材料的公司來說，制造環(huán)境可以兼容，但相應的生產環(huán)境成本顯著提高。

就制備工藝而言，鑒于當前固態(tài)電解質膜的柔韌性不佳，固態(tài)電芯組裝更多偏向疊片而非卷繞工藝，但細分工藝尚不可知；就制造裝備而言，盡管固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池存在較大差異，但不存在根本性差別，只是在涂布、封裝等工序上要定制化的設備，而且制造環(huán)境需在更高要求的干燥間進行。