全固态锂电池的相关介绍

1.全固态锂电池简介

全固态锂电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池锂二次电池，从20世纪50年代开始发展起来的，它的工作原理与传统的液态电解质锂电池原理相通，锂离子在电极的正、负极之间来回运动，从而完成电池的充放电过程。只不过固态电池的电解质为固态，具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量。

在构造上，全固态锂电池比传统锂离子电池要简单，固体电解质除了传导锂离子，也充当隔膜的角色，电解液、电解质盐、隔膜与黏接剂聚偏氟乙烯等都不需要使用，大大简化电池的构建步骤，如图1。因此，对于同样的电量，固态电池体积将变得更小。

目前，按照电解质区分，全固态锂电池主要包括两大类：一类是有机聚合物电解质组成的全固态锂电池，称为聚合物全固态锂电池；二是以无机固体电解质组成的锂离子电池，称作无机全固态锂电池，主要有氧化物类和硫化物类。

图1传统液态锂离子电池与全固态锂离子电池示意图

2.全固态锂电池具有的优势

全固态锂电池之所以会让国际巨头们看中是因为它有望解决目前困扰动力电池行业的两大系统“挑战”——安全隐患和能量密度偏低问题。全固态锂电池相比于液态锂离子电池所具有的优势如下：

（1）安全性能高完全消除了电解液腐蚀和泄露的安全隐患，具有更高的热稳定性。

（2）能量密度高目前市场上应用的锂离子电池的电芯能量密度为260Wh/kg左右，正在开发的锂离子电池能量密度在300-320Wh/kg。而全固态锂电池，如果负极采用锂金属，电池能量密度有望达到300-400Wh/kg，甚至更高。

（3）循环寿命长固体电解质有望避免液态电解质在充放电过程中持续行程和生长SEI膜和锂枝晶穿刺隔膜问题，有望大大提高金属锂电池的循环寿命。已报道的薄膜型全固态电池能够循环45000次。

（4）电化学窗口宽全固态锂电池的电化学稳定窗口宽，有可能达到5V，适应于高电压型电极材料，有利于进一步提高能量密度。

（5）单体电压高由于固体电解质的固态特性，可以叠加多个电极，使单元内串联制备12V及24V的大电压单体电池成为可能。

3.全固态锂电池目前存在的缺陷及解决方案

虽然全固态锂电池在很多方面表现出明显的优势，但同时也有一些迫切需要解决的问题：固体电解质材料离子电导率偏低；固体电解质/电极间界面阻抗大，界面相容性差，同时，充放电过程中各材料的体积膨胀和收缩导致界面容易分离；有待设计和构建与固体电解质相匹配的电极材料，现阶段的电池制备成本高等问题。针对这些问题，研究人员进行了各种尝试，部分可能得解决途径如下表1。

表1全固态锂电池目前存在的缺陷和比分解决方案

4.全固态锂电池目前的机遇与挑战

为应对新能源汽车越来越急迫的高性能要求，各国都已经开始布局高能量密度锂电池，如日本政府提出，2020年动力电池电芯能量密度将达到250Wh/kg，2030年达到500Wh/kg，美国先进电池联合会（USABC）提出将2020年电芯能量密度有原来的220Wh/kg提高到350Wh/kg，中国国务院发布的《中国制造2025》中也明确提到，2020年中国动力电池单体比容量达到300Wh/kg，2025年达到400Wh/kg，2030年达到500Wh/kg。提高电芯能量密度，必然要求兼顾安全性能，因此发展全固态锂电池技术，具有重要的意义。