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近年來(lái)，伴隨著電動(dòng)汽車(chē)的興起，以及可再生能源發(fā)電對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能裝置的迫切需求，鋰電池的研究再度升溫，開(kāi)發(fā)安全、大容量、大功率和長(zhǎng)壽命的二次鋰電池成為焦點(diǎn)。
在越來(lái)越多的儲(chǔ)能技術(shù)中，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，即電池的使用受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。電池儲(chǔ)能具有高效、規(guī)?？烧{(diào)的特點(diǎn)，既可整合于電力系統(tǒng)作為能量?jī)?chǔ)存單元，起到對(duì)電網(wǎng)削峰填谷的作用，提高電網(wǎng)運(yùn)行的的可靠性和穩(wěn)定性，也可用于移動(dòng)通訊、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域，為人類(lèi)生活質(zhì)量的提高提供源源不斷的能量支持。
二次電池的發(fā)展經(jīng)歷了從早期的鉛酸電池，到后來(lái)的鎳鎘、鎳氫電池，再到現(xiàn)在已商用化的二次鋰離子電池和用于電網(wǎng)儲(chǔ)能的鈉-硫電池等。鋰電池以鋰元素作為能量運(yùn)輸?shù)拇鎯?chǔ)介質(zhì)，鋰元素質(zhì)量輕和氧化還原電位低的特點(diǎn)，使鋰離子電池可獲得比其他類(lèi)型電池更高的輸出電壓和能量密度。因此，自1991年索尼公司推出第一款商用二次鋰離子電池以來(lái)，鋰電池在全球范圍內(nèi)迅速普及，成為許多便攜式電子產(chǎn)品的首選的電源類(lèi)型。
近年來(lái)，伴隨著電動(dòng)汽車(chē)的興起，以及可再生能源發(fā)電對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能裝置的迫切需求，鋰電池的研究再度升溫，開(kāi)發(fā)安全、大容量、大功率和長(zhǎng)壽命的二次鋰電池成為焦點(diǎn)。
車(chē)用動(dòng)力電池，除需要滿足長(zhǎng)續(xù)航里程和大功率充放電的要求外，安全性尤為重要。目前商用的鋰離子電池，在短路情況發(fā)生時(shí)會(huì)釋放大量熱量，會(huì)引燃有機(jī)電液，產(chǎn)生爆炸隱患，即使是目前被認(rèn)為最安全的特斯拉汽車(chē)，使用了復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)和防護(hù)措施，仍在問(wèn)世短短的幾年內(nèi)發(fā)生多次著火爆炸事故。此外，有機(jī)電解液存在的問(wèn)題包括：
（1）電化學(xué)窗口有限，難以兼容金屬鋰負(fù)極和新研發(fā)的高電勢(shì)正極材料；
（2）鋰離子并非唯一的載流子，在大電流通過(guò)時(shí)，電池內(nèi)阻會(huì)因離子濃度梯度的出現(xiàn)而增加（濃差極化），電池性能下降；
（3）工作溫度有限，安全工作溫度0~40℃；
（4）與負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)，生成SEI層，造成2種材料的持續(xù)消耗，使電池容量不斷下降。
用固態(tài)電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)是獲得高能量密度、安全性和長(zhǎng)循環(huán)壽命的全固態(tài)電池的根本途徑。全固態(tài)電池可以避免液體電解質(zhì)帶來(lái)的負(fù)效用，提高電池的安全性和服役壽命。因此，今年來(lái)固態(tài)電池研究成為鋰電池的熱門(mén)方向，那么固態(tài)電池的具體優(yōu)勢(shì)有哪些呢？
體積小
實(shí)際上，體積能量密度對(duì)于電池來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的參數(shù)，如果就應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，要求從高到低是消費(fèi)電子產(chǎn)品 > 家用電動(dòng)汽車(chē) > 電動(dòng)公交車(chē)。通俗地講，如果體積能量密度高了，因此相同質(zhì)量的電池才能做得更小。
用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)，正負(fù)極之間的距離可以縮短到甚至只有幾到十幾個(gè)微米，這樣電池的厚度就能大大地降低，因此全固態(tài)電池技術(shù)是電池小型化、薄膜化的必經(jīng)之路。
不僅如此，很多經(jīng)過(guò)物理/化學(xué)氣相沉積（PVD/CVD）制備的全固態(tài)電池，其整體厚度可能只有幾十個(gè)微米，因此就可以制成非常小的電源器件，整合到MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）領(lǐng)域中。
能夠制成體積非常小的電池也是全固態(tài)電池技術(shù)的一大特色，這可以方便電池適應(yīng)各種新型小尺寸智能電子設(shè)備的應(yīng)用，而在這一點(diǎn)上傳統(tǒng)的鋰離子電池技術(shù)是很難達(dá)到的。
柔性化的前景
全固態(tài)電池可以經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化，變成柔性電池，從而帶來(lái)更多的功能和體驗(yàn)。
實(shí)際上，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級(jí)以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會(huì)變得有柔性。
相應(yīng)的，全固態(tài)電池在輕薄化后柔性程度也會(huì)有明顯的提高，通過(guò)使用適當(dāng)?shù)姆庋b材料（不能是鋼性的外殼），制成的電池可以經(jīng)受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。
實(shí)際上，以各種可穿戴設(shè)備為代表的柔性電子器件是下一代電子產(chǎn)品發(fā)展的重要方向，而這就要求該產(chǎn)品中的元件同樣需要具有柔性，因此柔性全固態(tài)電池是科研與工業(yè)界中，非常有前景的明日之星。
不僅如此，功能化的全固態(tài)電池潛力遠(yuǎn)不只以上的柔性電池，經(jīng)過(guò)電池材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以制成透明電池，或者是拉伸幅度可達(dá)300%的可拉伸電池，或是可以和光伏器件集成化的發(fā)電-存儲(chǔ)一體化器件等等--全固態(tài)電池所意味的功能上的創(chuàng)新應(yīng)用前景還有很多，在這方面科研人員與工程師們的想像力會(huì)給我們帶來(lái)越來(lái)越多的驚喜。
更安全
作為一種能量存儲(chǔ)器件，實(shí)際上所有電池在熱力學(xué)實(shí)質(zhì)上都不可能是絕對(duì)安全的。但是電池實(shí)際應(yīng)用中的決定其真正安全性的因素是多方面的，影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質(zhì)，以及電子產(chǎn)品中的電池管理系統(tǒng)等。
目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關(guān)心的重點(diǎn)，在這里用“不夠理想”來(lái)評(píng)價(jià)現(xiàn)在電池的安全性，應(yīng)該是一個(gè)比較合適的評(píng)價(jià)。
能量密度高
使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會(huì)發(fā)生改變，其中核心的一點(diǎn)就是可以不必使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來(lái)做負(fù)極，這樣可以明顯減輕負(fù)極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高。
此外，許多新型高性能電極材料，可能之前與現(xiàn)有的電解液體系的兼容性并不好，但是在使用全固態(tài)電解質(zhì)后該問(wèn)題可以得到一定的緩解。
綜合考慮到以上兩大因素，全固態(tài)電池相比于一般鋰離子電池，能量密度可以有一個(gè)較大幅度的提升：現(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)室中，都已經(jīng)可以小規(guī)模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池了（一般鋰離子電池是100-220Wh/kg）。
從能量密度的數(shù)據(jù)上看，或許全固態(tài)電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級(jí)到“兩天一充”。
未來(lái)前景
隨著固態(tài)電池的前景展現(xiàn)，各國(guó)也紛紛加快研發(fā)進(jìn)程，爭(zhēng)取早日進(jìn)入市場(chǎng)。日本的豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家企業(yè)合作探尋固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)；韓國(guó)的三大蓄電池廠商LG化學(xué)、三星SDI和SK聯(lián)手開(kāi)發(fā)核心電池；德國(guó)計(jì)劃撥發(fā)10億歐元用于支持德國(guó)的固態(tài)電池研究；中國(guó)寧德時(shí)代、比亞迪、蔚來(lái)、輝能、清陶、衛(wèi)藍(lán)、贛鋒等大批科技公司及新材料公司進(jìn)行固態(tài)電池的研發(fā)。
固態(tài)電池市場(chǎng)這塊“大蛋糕”的“蛋糕胚”已經(jīng)做好了，接下來(lái)需要解決的問(wèn)題還很多，包括固態(tài)電池的成本偏高，制備工藝復(fù)雜且不成熟，不容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，另一方面，固態(tài)電池的倍率性能整體偏低，內(nèi)阻較大，近期內(nèi)實(shí)現(xiàn)快充有難度，所以固態(tài)電池還有一段路要走。
參考資料：
任耀宇. 全固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展.
許曉雄.邱志軍. 全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望.
電子發(fā)燒友. 淺談全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn).
在越來(lái)越多的儲(chǔ)能技術(shù)中，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，即電池的使用受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。電池儲(chǔ)能具有高效、規(guī)?？烧{(diào)的特點(diǎn)，既可整合于電力系統(tǒng)作為能量?jī)?chǔ)存單元，起到對(duì)電網(wǎng)削峰填谷的作用，提高電網(wǎng)運(yùn)行的的可靠性和穩(wěn)定性，也可用于移動(dòng)通訊、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域，為人類(lèi)生活質(zhì)量的提高提供源源不斷的能量支持。
二次電池的發(fā)展經(jīng)歷了從早期的鉛酸電池，到后來(lái)的鎳鎘、鎳氫電池，再到現(xiàn)在已商用化的二次鋰離子電池和用于電網(wǎng)儲(chǔ)能的鈉-硫電池等。鋰電池以鋰元素作為能量運(yùn)輸?shù)拇鎯?chǔ)介質(zhì)，鋰元素質(zhì)量輕和氧化還原電位低的特點(diǎn)，使鋰離子電池可獲得比其他類(lèi)型電池更高的輸出電壓和能量密度。因此，自1991年索尼公司推出第一款商用二次鋰離子電池以來(lái)，鋰電池在全球范圍內(nèi)迅速普及，成為許多便攜式電子產(chǎn)品的首選的電源類(lèi)型。
近年來(lái)，伴隨著電動(dòng)汽車(chē)的興起，以及可再生能源發(fā)電對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能裝置的迫切需求，鋰電池的研究再度升溫，開(kāi)發(fā)安全、大容量、大功率和長(zhǎng)壽命的二次鋰電池成為焦點(diǎn)。
車(chē)用動(dòng)力電池，除需要滿足長(zhǎng)續(xù)航里程和大功率充放電的要求外，安全性尤為重要。目前商用的鋰離子電池，在短路情況發(fā)生時(shí)會(huì)釋放大量熱量，會(huì)引燃有機(jī)電液，產(chǎn)生爆炸隱患，即使是目前被認(rèn)為最安全的特斯拉汽車(chē)，使用了復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)和防護(hù)措施，仍在問(wèn)世短短的幾年內(nèi)發(fā)生多次著火爆炸事故。此外，有機(jī)電解液存在的問(wèn)題包括：
（1）電化學(xué)窗口有限，難以兼容金屬鋰負(fù)極和新研發(fā)的高電勢(shì)正極材料；
（2）鋰離子并非唯一的載流子，在大電流通過(guò)時(shí)，電池內(nèi)阻會(huì)因離子濃度梯度的出現(xiàn)而增加（濃差極化），電池性能下降；
（3）工作溫度有限，安全工作溫度0~40℃；
（4）與負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)，生成SEI層，造成2種材料的持續(xù)消耗，使電池容量不斷下降。
用固態(tài)電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)是獲得高能量密度、安全性和長(zhǎng)循環(huán)壽命的全固態(tài)電池的根本途徑。全固態(tài)電池可以避免液體電解質(zhì)帶來(lái)的負(fù)效用，提高電池的安全性和服役壽命。因此，今年來(lái)固態(tài)電池研究成為鋰電池的熱門(mén)方向，那么固態(tài)電池的具體優(yōu)勢(shì)有哪些呢？
體積小
實(shí)際上，體積能量密度對(duì)于電池來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的參數(shù)，如果就應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，要求從高到低是消費(fèi)電子產(chǎn)品 > 家用電動(dòng)汽車(chē) > 電動(dòng)公交車(chē)。通俗地講，如果體積能量密度高了，因此相同質(zhì)量的電池才能做得更小。
用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)，正負(fù)極之間的距離可以縮短到甚至只有幾到十幾個(gè)微米，這樣電池的厚度就能大大地降低，因此全固態(tài)電池技術(shù)是電池小型化、薄膜化的必經(jīng)之路。
不僅如此，很多經(jīng)過(guò)物理/化學(xué)氣相沉積（PVD/CVD）制備的全固態(tài)電池，其整體厚度可能只有幾十個(gè)微米，因此就可以制成非常小的電源器件，整合到MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）領(lǐng)域中。
能夠制成體積非常小的電池也是全固態(tài)電池技術(shù)的一大特色，這可以方便電池適應(yīng)各種新型小尺寸智能電子設(shè)備的應(yīng)用，而在這一點(diǎn)上傳統(tǒng)的鋰離子電池技術(shù)是很難達(dá)到的。
柔性化的前景
全固態(tài)電池可以經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化，變成柔性電池，從而帶來(lái)更多的功能和體驗(yàn)。
實(shí)際上，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級(jí)以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會(huì)變得有柔性。
相應(yīng)的，全固態(tài)電池在輕薄化后柔性程度也會(huì)有明顯的提高，通過(guò)使用適當(dāng)?shù)姆庋b材料（不能是鋼性的外殼），制成的電池可以經(jīng)受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。
實(shí)際上，以各種可穿戴設(shè)備為代表的柔性電子器件是下一代電子產(chǎn)品發(fā)展的重要方向，而這就要求該產(chǎn)品中的元件同樣需要具有柔性，因此柔性全固態(tài)電池是科研與工業(yè)界中，非常有前景的明日之星。
不僅如此，功能化的全固態(tài)電池潛力遠(yuǎn)不只以上的柔性電池，經(jīng)過(guò)電池材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以制成透明電池，或者是拉伸幅度可達(dá)300%的可拉伸電池，或是可以和光伏器件集成化的發(fā)電-存儲(chǔ)一體化器件等等--全固態(tài)電池所意味的功能上的創(chuàng)新應(yīng)用前景還有很多，在這方面科研人員與工程師們的想像力會(huì)給我們帶來(lái)越來(lái)越多的驚喜。
更安全
作為一種能量存儲(chǔ)器件，實(shí)際上所有電池在熱力學(xué)實(shí)質(zhì)上都不可能是絕對(duì)安全的。但是電池實(shí)際應(yīng)用中的決定其真正安全性的因素是多方面的，影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質(zhì)，以及電子產(chǎn)品中的電池管理系統(tǒng)等。
目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關(guān)心的重點(diǎn)，在這里用“不夠理想”來(lái)評(píng)價(jià)現(xiàn)在電池的安全性，應(yīng)該是一個(gè)比較合適的評(píng)價(jià)。
能量密度高
使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會(huì)發(fā)生改變，其中核心的一點(diǎn)就是可以不必使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來(lái)做負(fù)極，這樣可以明顯減輕負(fù)極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高。
此外，許多新型高性能電極材料，可能之前與現(xiàn)有的電解液體系的兼容性并不好，但是在使用全固態(tài)電解質(zhì)后該問(wèn)題可以得到一定的緩解。
綜合考慮到以上兩大因素，全固態(tài)電池相比于一般鋰離子電池，能量密度可以有一個(gè)較大幅度的提升：現(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)室中，都已經(jīng)可以小規(guī)模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池了（一般鋰離子電池是100-220Wh/kg）。
從能量密度的數(shù)據(jù)上看，或許全固態(tài)電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級(jí)到“兩天一充”。
未來(lái)前景
隨著固態(tài)電池的前景展現(xiàn)，各國(guó)也紛紛加快研發(fā)進(jìn)程，爭(zhēng)取早日進(jìn)入市場(chǎng)。日本的豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家企業(yè)合作探尋固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)；韓國(guó)的三大蓄電池廠商LG化學(xué)、三星SDI和SK聯(lián)手開(kāi)發(fā)核心電池；德國(guó)計(jì)劃撥發(fā)10億歐元用于支持德國(guó)的固態(tài)電池研究；中國(guó)寧德時(shí)代、比亞迪、蔚來(lái)、輝能、清陶、衛(wèi)藍(lán)、贛鋒等大批科技公司及新材料公司進(jìn)行固態(tài)電池的研發(fā)。
固態(tài)電池市場(chǎng)這塊“大蛋糕”的“蛋糕胚”已經(jīng)做好了，接下來(lái)需要解決的問(wèn)題還很多，包括固態(tài)電池的成本偏高，制備工藝復(fù)雜且不成熟，不容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，另一方面，固態(tài)電池的倍率性能整體偏低，內(nèi)阻較大，近期內(nèi)實(shí)現(xiàn)快充有難度，所以固態(tài)電池還有一段路要走。
參考資料：
任耀宇. 全固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展.
許曉雄.邱志軍. 全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望.
電子發(fā)燒友. 淺談全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn).
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