固态电池：颠覆传统，王者归来

说起固态电池的走红，用“一夜爆红”来比喻是再恰当不过了。其实，固态电池也算不上什么“当红新星”，因为早在20世纪70年代它就小有名气了。只因彼时的固态电池生不逢时，受材料和技术的制约而性能不佳，伴随着液态锂离子电池的大普及，有关固态电池方面的研究只能在实验室里徘徊。进入21世纪后，关于固态电池的研究才再次受到人们的关注。

近年来，世界各国都在力求抢占固态电池高地，从政府高层到产业巨头，也都在布局固态电池的产业发展，这无疑提升了固态电池的火爆度。我国投入60亿元巨资助力“固态电池国家方阵”，为中国攀登固态电池巅峰提供资金和政策支持。固态电池持续火爆全球，是否预示着电池领域“王者归来”呢？

固态电池，到底指的是什么

电池技术的进步有目共睹。如今，锂离子电池已经走进我们生活的各个方面，锂离子电池的基本构成包括正极、负极、隔膜和电解液四大部分。传统锂离子电池的电解液为液态，被誉为锂离子电池的“血液”。通常，锂离子电池的电解质为高氯酸锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂等，其中六氟磷酸锂应用极其广泛。锂离子电池的电解液就是用电解质锂盐与有机溶剂和添加剂等原料按一定比例配制而成的。

下面主要谈谈电解液和隔膜在锂离子电池中的作用。

电解液在锂离子电池中的角色为“离子传输的载体”，即在正负极之间为锂离子的传导提供了一个通道。电解液的好坏将会影响锂离子电池的性能，如能量密度、比容量、工作温度范围、循环寿命、安全性能等。

隔膜也是电化学电池的关键组件之一。锂离子电池的隔膜具有大量曲折贯通的微孔，能够保证电解质离子自由通过而形成充放电回路。用不导电的隔膜把正极和负极隔开，既能防止正极和负极的物理接触，又能允许离子通过电解质进行传导。实际上，隔膜的性能可以影响电池的界面结构和内阻等，进而影响电池的容量、循环及安全性能等。性能好的隔膜对于提高电池的综合性能至关重要。

那么，未来的固态电池是一种什么样的电池呢？按照固态电解质比例划分，固态电池可分为半固态、准固态和全固态三种。就全固态电池而言，通常指的是构成电池的所有部件均为“固态”。不难看出，全固态电池相较于传统的液态电池，最大的变化在于传统的液态电解液变成了全新的固态电解质。由于全固态电池采用了全新的固态电解质，因此也就不需要隔膜器件了。

锂离子电池与全固态电池的区别

颠覆传统，能否突破“天花板”

就二次电池的发展轨迹而言，固态电解质取代液态电解液无论如何都是一大进步，是一项颠覆传统的重大技术创新。你也许会问，这项技术创新到底能为我们带来什么？

有专家认为，现有的液态锂离子电池的能量密度已经接近“天花板”。人们青睐固态电池，是希望通过电解质固态化来突破液态电池的瓶颈和限制，从而获得更高的能量密度和安全性能。液态锂离子电池的电化学窗口为4.2伏，而固态电池的电化学窗口大于5伏。因此，固态电池有望大幅度提升理论能量密度。尤其是全固态电池，由于其不含可燃性有机溶剂，所以有望降低起火和爆炸等风险。对于电动汽车来说，这无疑是一场深刻的革命。因此，全固态电池被认为是电动汽车未来的发展方向。

走向固态，技术路径如何走

尽管全固态电池前景光明，但是现在仍在开发的路上，真正的商用推广尚需时日。这是由全固态电池的开发难度决定的。目前在研的固态电池电解质主要有聚合物体系、氧化物体系、硫化物体系和卤化物体系等四大主流技术路径。

聚合物体系电解质以高分子聚合物作为电解质基体，通过添加导电锂盐来构成离子传导网络。尽管聚合物电解质体系的研发时间最早，但其导电率和耐高压性较低。

氧化物体系电解质为国内研究团队的主流选择。像磷酸钛铝锂、锂镧锆氧及石榴石型等氧化物电解质，目前被业内认为是具有广阔应用前景的固态电解质。

硫化物体系电解质在理论上能提供更高的能量密度、更快的充电速度，因此被认为是理想的固态电池电解质材料。但硫化物电解质的电化学稳定性和界面稳定性较差，因此增加了该电解质材料的研发难度。

最近推出的卤化物固态电解质，由于其具有优异的电化学窗口、高正极稳定性等优势而受到人们的关注。

一般来讲，固态电解质取代液态电解质应当满足一定的技术条件，如具有更高的离子传导性、更宽的电化学窗口及更高的能量密度等。到底哪种技术路径能够走到最后，那就要看它们谁能更胜一筹了。

各类固态电解质性能、成本优势比较

王者归来，离我们还有多远

当固态电池成为全世界的焦点之时，人们似乎感觉固态电池已经近在咫尺了。其实，固态电池虽好，但其技术并不成熟。

难道固态电池电解质“以固代液”就这么难吗？没错！固态电解质在电池系统中的“硬接触”远没有液态电解质的“软接触”成熟和可靠。实际上，大多数固态电解质和电极活性物质间都存在严重的界面问题，这已经成为制约固态电池商业化应用的一大“门槛”。

就目前在研的固态电池电解质四大主流技术路径而言，固态电池中的固—固界面接触问题就是一个绕不过去的“坎”。

既然如此，固态电池一步到位并非上策，现在实行的“渐进式推进”就是固态电池发展的一个可行性方案。所谓“渐进式推进”，指的是固态电解质渐进式替代。这已成为当下液态电池向全固态电池过渡的一个最优选择。

前文提到，固态电池可分为半固态、准固态和全固态三种，这是按照固态电解质比例依次上升而划分出来的。一般来讲，半固态电池的液态电解质含量小于10%；准固态电池的液态电解质含量小于5%；而全固态电池的液态电解质含量为零，即不含任何液态电解质。

从液态电池到全固态电池，无论从材料变革还是工艺创新，都将面临一系列的技术挑战。目前在全世界，全固态电池仍然处于研发和试制阶段，距离大规模产业化应用还需要一段时间。可以预见，全固态电池产业化之时，将会在人类化学电池领域掀起一场革命，并有望深刻改变未来社会生产和生活的面貌。

【责任编辑】蒲 晖