1991年索尼公司首次推出商業(yè)鋰離子電池，此后在廣大科研工作者和工程師的不懈努力下，鋰離子電池的各項(xiàng)性能都得到了大幅的提升【1】，而鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的3C消費(fèi)電子領(lǐng)域擴(kuò)展到了新能源汽車和分布式儲(chǔ)能等領(lǐng)域。鋰離子電池在動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域的應(yīng)用也促使其對(duì)能量密度的追求在不斷走高，盡管目前鋰離子電池的能量密度已經(jīng)相當(dāng)于最初索尼推出產(chǎn)品的3倍以上【2】，但是仍然無(wú)法滿足日益新增的續(xù)航里程的需求。如今傳統(tǒng)液態(tài)電解液鋰離子電池的能量密度提升已經(jīng)接近其極限值，難以滿足下一代高比能動(dòng)力鋰電池的需求，因此主流的動(dòng)力鋰電池廠商也都在紛紛布局下一代動(dòng)力鋰電池技術(shù)。

在下一代動(dòng)力鋰電池眾多的候選者之中，固態(tài)電池是最有希望的一種。全固態(tài)電池不僅技術(shù)成熟度相對(duì)較高，也獲得了像Goodenough、崔屹等一批國(guó)際優(yōu)秀學(xué)者的支持，國(guó)內(nèi)外眾多鋰離子電池公司也已將全固態(tài)電池技術(shù)作為重要的下一代技術(shù)儲(chǔ)備。全固態(tài)電池最顯著的兩大優(yōu)勢(shì)如下：

1.高能量密度

目前的鋰離子電池采用石墨材料作為負(fù)極，石墨的理論比容量?jī)H為372mAh/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足高比能鋰離子電池的需求，而金屬Li負(fù)極的理論比容量可達(dá)3860mAh/g，是一種理想的高比能電池負(fù)極材料，但是Li金屬負(fù)極在反復(fù)充放電的過(guò)程中會(huì)形成Li枝晶【3】，造成庫(kù)倫效率低下和短路風(fēng)險(xiǎn)新增，而固態(tài)電解質(zhì)具有高剪切模量的特點(diǎn)，能夠更好的抑制Li枝晶的生長(zhǎng)【4】，因此在固態(tài)電池中我們可以采用金屬Li作為負(fù)極，相關(guān)研究表明即便是在較低的面密度下，采用金屬Li替換傳統(tǒng)的石墨仍然能夠?qū)㈦姵氐哪芰棵芏忍嵘?5%以上。假如我們采用NCM811材料作為正極，電池的能量密度能夠達(dá)到500Wh/kg以上，即便是采用LFp作為正極電池的能量密度也可以提升到300Wh/kg以上【5】。這是傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池所無(wú)法比擬的。

2.高安全性

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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安全性是目前液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池面對(duì)的另一棘手問(wèn)題，而固態(tài)電解質(zhì)的出現(xiàn)讓鋰離子電池的安全性得到了大幅提升。研究表明采用液態(tài)電解質(zhì)的Li/LFp電池在90℃左右就開始發(fā)生自放熱反應(yīng)，并在178℃左右引起了電池?zé)崾Э?，而采用固態(tài)電解質(zhì)的Li/LFp電池自放熱溫度提高到了247℃以上，并且整個(gè)過(guò)程未發(fā)生熱失控【6】。傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池往往是由于高溫引起的隔膜熱收縮和熔融而導(dǎo)致的大面積內(nèi)短路引發(fā)熱失控，而以無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)為例，其熱穩(wěn)定性明顯高于高分子聚合物類隔膜材料【7】，因此高溫導(dǎo)致正負(fù)極短路的風(fēng)險(xiǎn)幾乎為0，從而使得采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)大幅降低。同時(shí)，即便是電池發(fā)生了熱失控，固態(tài)電解質(zhì)的可燃成分也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的碳酸酯類電解液，從而能夠顯著降低鋰離子電池?zé)崾Э氐膭×页潭?，關(guān)于動(dòng)力鋰電池的安全性具有顯著的提升。

固態(tài)電解質(zhì)從成分上重要可以分為三大類：1）氧化物電解質(zhì)，例如常見的LLZO類電解質(zhì)；2）硫化物電解質(zhì)，例如Li2S–p2S5電解質(zhì)；3）有機(jī)聚合物電解質(zhì)，例如常見的pEO基聚合物電解質(zhì)等。這幾類固態(tài)電解質(zhì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，總體上來(lái)看聚合物電解質(zhì)加工性能優(yōu)異，能和電極材料形成良好的界面接觸。但是該類電解質(zhì)常溫電導(dǎo)率較低，因此采用聚合物電解質(zhì)的鋰離子電池很難在60℃以下的溫度進(jìn)行工作。此外，以pEO基電解質(zhì)為代表的固態(tài)聚合物電解質(zhì)在高電位的正極一側(cè)容易被氧化分解，造成電池性能的惡化。硫化物固態(tài)電解質(zhì)常溫電導(dǎo)率非常高，和液態(tài)電解質(zhì)接近，加工性能較好，但是在大氣環(huán)境中不穩(wěn)定，容易和其中的水分生產(chǎn)劇毒的H2S氣體，因此整個(gè)加工過(guò)程要在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行，生產(chǎn)成本高。氧化物電解質(zhì)電導(dǎo)率較高，在空氣中的穩(wěn)定性較好，但是其和電極材料的界面問(wèn)題有待優(yōu)化，而且氧化物電解質(zhì)脆性較大，加工性能較差【11】。

固態(tài)電池作為最有希望的下一代動(dòng)力鋰電池候選者，各國(guó)都投入了大量的資金開展相關(guān)技術(shù)研究。作為鋰離子電池第一強(qiáng)國(guó)的日本也在2018年宣布啟動(dòng)新一代高效"全固態(tài)電池"核心技術(shù)的開發(fā)工作，豐田、本田、日產(chǎn)等23家汽車、電池和材料公司，以及15家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)參和該計(jì)劃，計(jì)劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池技術(shù)。日本的全固態(tài)技術(shù)路線重要是以硫化物為主，該領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊豐田公司早在2010年就推出了硫化物固態(tài)電池，2014年推出的原理樣機(jī)能量密度更是達(dá)到了400Wh/kg，據(jù)了解豐田計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)硫化物固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。

國(guó)內(nèi)方面，全固態(tài)鋰離子電池的研究除了集中在各大高校，例如清華大學(xué)、中科院物理所、上海硅酸鹽研究所和青島能源所等科研機(jī)構(gòu)都開展了固態(tài)電池關(guān)鍵原材料、電池制備技術(shù)和工藝的研究和開發(fā)，各大動(dòng)力鋰電池廠商也都將固態(tài)電池技術(shù)作為下一代重要的技術(shù)儲(chǔ)備。包括CATL、比亞迪等電池公司都在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的布局，但是根據(jù)各個(gè)公司的技術(shù)路線圖，基本上都要等到2025年以后才能夠推出相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品。

然而，雖然固態(tài)電池具有目前鋰離子電池所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但是全固態(tài)電池的開發(fā)仍然是一條充滿荊棘的路，仍然有大量的問(wèn)題要克服：

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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1.界面接觸不良

在全固態(tài)電池中，過(guò)渡金屬氧化物顆粒仍然是重要的正極材料，當(dāng)制成電極時(shí)，會(huì)在電極內(nèi)形成大量復(fù)雜的孔隙，傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)能夠滲入這些孔隙，從而保證所有的活性物質(zhì)都能夠參和到電化學(xué)反應(yīng)之中。但是固態(tài)電解質(zhì)不具有流動(dòng)性，因此很難保證活性物質(zhì)顆粒和固態(tài)電解質(zhì)的充分接觸，同時(shí)電池充放電過(guò)程中活性物質(zhì)的體積變化也會(huì)進(jìn)一步破壞固態(tài)電解質(zhì)和活性物質(zhì)顆粒的接觸界面，造成固態(tài)電解質(zhì)和活性物質(zhì)之間較大的接觸阻抗【8】，影響固態(tài)鋰離子電池的性能發(fā)揮。

2.鋰枝晶生長(zhǎng)

是的你沒(méi)有看錯(cuò)，固態(tài)電池仍然存在鋰枝晶問(wèn)題，通常我們認(rèn)為固態(tài)電解質(zhì)良好的機(jī)械強(qiáng)度能夠有效的抑制Li枝晶的生長(zhǎng)，但是研究卻表明Li枝晶仍然能夠沿著Li7La3Zr2O12(LLZO)和Li2S–p2S5兩類固態(tài)電解質(zhì)的晶界快速生長(zhǎng)，往往幾十次循環(huán)就會(huì)發(fā)生內(nèi)短路【9】，嚴(yán)重影響全固態(tài)鋰離子電池的使用壽命。

3.界面穩(wěn)定性問(wèn)題

界面穩(wěn)定性問(wèn)題重要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是一些傳統(tǒng)的有機(jī)聚合物電解質(zhì)，例如pEO等在高電壓的正極一側(cè)會(huì)發(fā)生氧化分解，導(dǎo)致接觸阻抗新增及電池性能惡化【10】；另一方面，氧化物固態(tài)電解質(zhì)和硫化物固態(tài)電解質(zhì)會(huì)在負(fù)極一側(cè)發(fā)生還原分解，造成固態(tài)電池的性能下降。

4.成本高昂

高成本也是目前全固態(tài)鋰離子電池急需解決的問(wèn)題之一。以常見的石榴石結(jié)構(gòu)的LLZO電解質(zhì)為例，其當(dāng)前價(jià)格高達(dá)2000$/kg，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的碳酸酯類電解液。其次，生產(chǎn)過(guò)程成本在目前的固態(tài)電池成本中占比達(dá)到75%。根據(jù)測(cè)算在小批量生產(chǎn)時(shí)（10000只/年）其生產(chǎn)過(guò)程成本會(huì)高達(dá)750-2500$/kWh，即便是生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大到1億只/年，其生產(chǎn)過(guò)程成本仍然高達(dá)75-240$/kWh，在電池成本中占比超過(guò)50%，遠(yuǎn)高于目前的鋰離子電池工藝成本【11】。

固態(tài)鋰離子電池的三種技術(shù)路線之爭(zhēng)由來(lái)已久。在固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展的早期，由于固態(tài)電解質(zhì)材料電導(dǎo)率相對(duì)較低，研發(fā)的重點(diǎn)多數(shù)集中在提高固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率方面，因此具有高離子電導(dǎo)率的硫化物電解質(zhì)和氧化物固態(tài)電解質(zhì)吸引了廣泛關(guān)注。但是隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率已經(jīng)不是制約固態(tài)電池發(fā)展的重要因素【5，11】，界面問(wèn)題和量產(chǎn)工藝逐漸成為固態(tài)電池要克服的下一難點(diǎn)。硫化物和氧化物類電解質(zhì)機(jī)械加工性能較差，界面接觸問(wèn)題和量產(chǎn)化工藝問(wèn)題遲遲無(wú)法解決，而聚合物電解質(zhì)由于具有優(yōu)良的加工特性和良好的界面接觸成為三種技術(shù)路線中最有希望的一種。