想必很多的人都有個(gè)共同的疑問(wèn)，固態(tài)電池是一種電池么，它跟鋰硫電池什么關(guān)系?這就跟當(dāng)初很多人認(rèn)為石墨烯電池是一種全新的電池一樣。實(shí)際上，這只是一種變換概念的叫法而已，在這里不做更多的解釋。我們重點(diǎn)對(duì)固態(tài)電池跟鋰硫電池之間的關(guān)系做一點(diǎn)小小的科普。

首先，我們知道原電池是由正極、負(fù)極、電解液以及外電路構(gòu)成的，也就是說(shuō)在電池內(nèi)部最主要的就是正負(fù)極材料和電解液。下圖為固態(tài)電池的示意圖

圖1固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)圖

其實(shí)所謂的固態(tài)電池，同樣也是由正負(fù)極材料和電解液三個(gè)部分組成，與傳統(tǒng)電池唯一的區(qū)別在于固態(tài)電池內(nèi)部使用的是固態(tài)的電解質(zhì)而已。例如固態(tài)鋰離子電池的正負(fù)極材料跟平常我們看到的鋰離子電池沒(méi)有什么區(qū)別，正極同樣也是使用三元，磷酸鐵鋰、錳酸鋰等，負(fù)極使用石墨、石墨烯，或者是硅碳負(fù)極(未來(lái)最有前景的負(fù)極材料，我們后面可能會(huì)專門進(jìn)行介紹)。問(wèn)題來(lái)了，既然差異這么小，為什么固態(tài)電池會(huì)如此的收到追捧呢?我認(rèn)為原因在于固態(tài)電池對(duì)于電池體系的安全性、能量密度和續(xù)航能力等方面都會(huì)帶來(lái)較大的提升，至少會(huì)對(duì)現(xiàn)有的鋰離子電池及鋰硫電池技術(shù)帶來(lái)一次全新的革命。然而，套用一句很時(shí)髦的網(wǎng)絡(luò)用語(yǔ)“理想是豐滿的，現(xiàn)實(shí)是骨感的“。下面我們對(duì)固態(tài)電池進(jìn)行一個(gè)通俗易懂的介紹：

圖2不同的固態(tài)電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)率對(duì)比

固態(tài)電解液，主要分為無(wú)機(jī)和有機(jī)固態(tài)電解液。我們常規(guī)使用的鋰離子電池中主要是用液態(tài)的有機(jī)電解液，缺點(diǎn)在于有毒、怕水、電壓低。而使用無(wú)機(jī)固態(tài)電解液，最主要的優(yōu)點(diǎn)在于不怕水、不易燃、電壓高等。如上圖所示，我們可以看出從常溫到200°C以內(nèi)我們有很多的選擇。但是考慮到固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率相比于液體的有機(jī)電解液(10-2Scm-1)，我們可以看到Glass-electrolyte，Glass-ceramicelectrolyte，Li10GeP2S12，Li3.25Ge0.25P0.75S4都是很不錯(cuò)的選擇。但是對(duì)于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)而言，固態(tài)電解質(zhì)不僅需要較高的離子傳導(dǎo)率，較寬的運(yùn)行溫度和電壓區(qū)間，而且還要有較高的安全性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。例如氧化物型固態(tài)電解液包括陶瓷材料、NASICON型等，他們被看作是未來(lái)最有可能大規(guī)模使用的固態(tài)電解液。

圖3Li10GeP2S12類型固態(tài)電解質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)

因?yàn)樗麄兡軌蛱峁└讳嚮蛘呤侨S的晶體結(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)鋰離子在固態(tài)電解質(zhì)中的傳導(dǎo)，如圖3所示。那么，如此高大上的固態(tài)電解液又有哪些挑戰(zhàn)呢?以至于到現(xiàn)在都還很難大規(guī)模商業(yè)化。首先，固態(tài)的電解液和液態(tài)的電解液相比，固態(tài)的不需要隔膜，可以大大的提升體積能量密度，但是鋰離子在固體中的傳導(dǎo)率比液相電解液中要低很多，所以固態(tài)電池有個(gè)通病就是倍率性能比較差，通俗點(diǎn)說(shuō)就是，當(dāng)我們使用安裝了固態(tài)電池的汽車加速或者爬坡時(shí)，往往都是力不從心。其次，就是固態(tài)電解質(zhì)在制備的過(guò)程中，不僅需要高溫，而且需要嚴(yán)格的配比混合均勻，最關(guān)鍵的是對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)很難保證材料的一致性。另外，固態(tài)電解質(zhì)的厚度對(duì)于電池整體的性能也具有致命的影響，因?yàn)殛P(guān)系著鋰離子在電池內(nèi)部的擴(kuò)散等等，因此在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中固體電解液的拉伸和耐壓等機(jī)械性能也是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，它們需要始終保持成膜不能夠破碎。因此，固態(tài)電池的發(fā)展還有很長(zhǎng)的路要走。而且，如果使用一種單一的固態(tài)電解質(zhì)很難一次性解決的所有面臨的問(wèn)題，所以，在未來(lái)一種高效的混合的固態(tài)電解質(zhì)策略可能被采用，因?yàn)槟軌蜃顑?yōu)化的均衡各種利弊關(guān)系，只有這樣才能在最短時(shí)間內(nèi)推進(jìn)儲(chǔ)能器件的發(fā)展。

總結(jié)

傳統(tǒng)的三元鋰電池單純從電極材料本身優(yōu)化上已經(jīng)很難突破300Wh/kg的大限。因此，在未來(lái)較短的一段時(shí)間內(nèi)，如果想要突破這一大限，我們可以換一種思路，大力發(fā)展能量密度高、且相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的鋰硫電池等新型鋰電池將是種不錯(cuò)的選擇。實(shí)際上對(duì)于電池本身而言，這些方法代表了工業(yè)水平的進(jìn)步，它們對(duì)整體電池行業(yè)的發(fā)展具有長(zhǎng)足的推進(jìn)作用。

最后，固態(tài)電池并不是一種電池，鋰硫電池、金屬空氣電池等都可以做成固態(tài)電池，其實(shí)就是把液電解液換成固態(tài)的電解液而已，但是就是這么簡(jiǎn)單的一換，需要全世界儲(chǔ)能方面的科研工作者前仆后繼，不斷努力實(shí)現(xiàn)突破!