中國粉體網(wǎng)訊 固態(tài)電池在多重資本的加持下，異常火熱，各種消息層出不窮。不過，拋開流量光環(huán)，固態(tài)電池的發(fā)展需要以更穩(wěn)重的姿態(tài)，腳踏實(shí)地，匍匐前行，畢竟還有很多現(xiàn)實(shí)問題并沒有真正解決。
鋰離子電池體系的內(nèi)在矛盾：高能量密度與高安全性難以兼容
隨著新能源市場不斷壯大，尤其是交通領(lǐng)域的電動化浪潮，使得應(yīng)用端對二次電池的能量密度、循環(huán)性能及安全性能等提出了更高的要求。
目前，150Wh/kg左右的商用鋰離子電池大多以磷酸鐵鋰和石墨作為正、負(fù)極的活性物質(zhì)。為了提高電池能量密度，可采用理論容量更高的三元正極材料。但其熱分解溫度遠(yuǎn)低于磷酸鐵鋰，且熱分解所產(chǎn)生的氧氣會與易燃的有機(jī)電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量熱量，引發(fā)安全事故。因此，在短暫的三元鋰離子電池的應(yīng)用熱潮之后，近期電動汽車企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和國家政策導(dǎo)向均呈現(xiàn)明顯的回歸磷酸鐵鋰之勢。在負(fù)極側(cè)，鋰電池技術(shù)的發(fā)展也曾經(jīng)歷相似的妥協(xié)式回歸。金屬鋰負(fù)極的理論比容量為3861mAh/g，是目前采用的石墨負(fù)極理論比容量的十倍以上，且電極電勢低，是構(gòu)筑高能量密度鋰電池的“最佳選擇”。經(jīng)過嘗試之后，人們發(fā)現(xiàn)金屬鋰負(fù)極存在嚴(yán)重的安全隱患，最終擱置了它的應(yīng)用，主要是因?yàn)闃O度活潑的鋰金屬化學(xué)穩(wěn)定性差，且在循環(huán)過程中鋰金屬不均勻沉積和剝離可能形成鋰枝晶刺穿隔膜，造成電池短路，從而引起火災(zāi)甚至爆炸。1991年索尼公司以容量更低但安全性顯著提高的石墨為負(fù)極制備了鋰離子電池。該體系在三十多年內(nèi)不斷改進(jìn)，但石墨負(fù)極一直沿用至今。
因此，現(xiàn)有鋰離子電池體系難以解決高能量密度與高安全隱患的內(nèi)在矛盾。亟需構(gòu)筑變革性電池體系以滿足新興應(yīng)用更為嚴(yán)苛的性能需求。全固態(tài)電池采用不可燃的固態(tài)電解質(zhì)取代易燃、易爆的有機(jī)電解液，有望在高能量密度的條件下實(shí)現(xiàn)高安全和長循環(huán)。高機(jī)械強(qiáng)度、高電化學(xué)穩(wěn)定性、高安全性的固態(tài)電解質(zhì)為高比容三元正極及鋰金屬負(fù)極的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；但也從根本上改變了電池體系中的物質(zhì)輸運(yùn)、界面電化學(xué)、應(yīng)力演化等物理、化學(xué)與力學(xué)過程。所以，固態(tài)電池也面臨不同于傳統(tǒng)鋰離子電池的全新挑戰(zhàn)。
從長遠(yuǎn)來看，固態(tài)電池的道路一片光明，但是回到當(dāng)下，固態(tài)電池的道路“荊棘滿布”。
趨勢與未來：一旦突破障礙，將會顛覆傳統(tǒng)鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈
固態(tài)電池是有望破解傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度和安全性“魔咒”的新技術(shù)。固態(tài)電池最大的特點(diǎn)在于采用固體電解質(zhì)替代傳統(tǒng)電解液體系和隔膜，能夠顯著提升電池安全性、能量密度和使用壽命，這也使得固態(tài)電池成為全球產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)重點(diǎn)布局的方向之一，多個(gè)國家將其列為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)并明確了發(fā)展規(guī)劃和目標(biāo)。
固態(tài)電池技術(shù)一旦突破產(chǎn)業(yè)化障礙，將會顛覆傳統(tǒng)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)，可能會極大沖擊傳統(tǒng)電解液和隔膜產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)一步對正負(fù)極材料及其上下游產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生影響。
傳統(tǒng)鋰離子電池與全固態(tài)電池結(jié)構(gòu)對比
固態(tài)電池的未來充滿了想象，而且在當(dāng)下多種應(yīng)用場景對高性能電池存在普遍渴望的背景下，固態(tài)電池技術(shù)天生就自帶流量，隨便一個(gè)消息都可能沖上熱搜。鋪天蓋地的消息，會營造一種虛幻的假象：固態(tài)電池時(shí)代是不是真的要來了？
回到現(xiàn)實(shí)之中，固態(tài)電池發(fā)展面臨的一些科學(xué)問題依舊沒有被完全解答！
當(dāng)下的現(xiàn)狀：全固態(tài)電池面臨三大問題，我國仍有機(jī)會
盡管經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，固態(tài)電池的一些關(guān)鍵科學(xué)問題、部分核心材料和技術(shù)依然尚未取得突破，這制約了其規(guī)�；慨a(chǎn)和應(yīng)用，主要難題和挑戰(zhàn)包括：電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率過低；電解質(zhì)與電極材料不匹配，以及電解質(zhì)/電極界面阻抗過高；適應(yīng)規(guī)模化生產(chǎn)的工藝和裝備尚不具備條件；與之匹配的電池管理系統(tǒng)解決方案尚不成熟等等。
有學(xué)者將全固態(tài)電池面臨的問題凝煉為：固態(tài)電解質(zhì)中的離子輸運(yùn)機(jī)制、全固態(tài)電池中的鋰枝晶生長機(jī)制以及多場耦合下的失效、失控機(jī)制�？偨Y(jié)出全固態(tài)電池的發(fā)展亟需解決三個(gè)核心科學(xué)問題：第一，固態(tài)電解質(zhì)作為全固態(tài)電池的核心材料，研究其體相與表界面的鋰離子輸運(yùn)機(jī)制至關(guān)重要。這是進(jìn)一步提升離子導(dǎo)電率、創(chuàng)制新型固態(tài)電解質(zhì)材料、改善全固態(tài)電池性能、推動固態(tài)離子學(xué)科發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)。第二，高機(jī)械強(qiáng)度的固態(tài)電解質(zhì)仍然難以抑制鋰金屬枝晶的生長，造成全固態(tài)電池的快速容量衰減與安全隱患。不同于傳統(tǒng)鋰離子電池中的(脫)溶劑化與離子遷移過程，全固態(tài)體系中鋰離子如何跨越固固界面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，又如何在固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部形核生長并刺穿固態(tài)電解質(zhì)？厘清鋰金屬在固-固界面的界面電化學(xué)過程及其枝晶生長過程是實(shí)現(xiàn)高比容鋰金屬負(fù)極長效穩(wěn)定循環(huán)的先決條件。第三，全固態(tài)電池中的離子輸運(yùn)、界面電化學(xué)等物理化學(xué)過程具有鮮明的多場耦合特征。因此，全面考量多場耦合效應(yīng)，建立真實(shí)工況下全固態(tài)電池復(fù)雜體系的物理化學(xué)模型，揭示其多場耦合下的失效、失控機(jī)制是優(yōu)化全固態(tài)電池電化學(xué)性能的重要科學(xué)支撐。
從當(dāng)下的參與主體來看，縱觀國內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢，美國在基礎(chǔ)研究方面仍然處于領(lǐng)先地位，且多家初創(chuàng)企業(yè)擁有核心專利技術(shù)，但產(chǎn)業(yè)化方面仍存在比較大的挑戰(zhàn)。日韓產(chǎn)學(xué)研結(jié)合緊密，研發(fā)起步早，在全固態(tài)電池特別是關(guān)鍵材料上積累了大量的基礎(chǔ)、核心專利，引領(lǐng)了全固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展。我國是電池生產(chǎn)第一大國，且擁有完備的產(chǎn)業(yè)鏈，但在理論機(jī)制及關(guān)鍵材料方面的原始創(chuàng)新上仍有發(fā)展空間。
路在何方？
固態(tài)電池技術(shù)未來大規(guī)模生產(chǎn)及商業(yè)應(yīng)用，路在何方？中國科學(xué)院物理研究所李泓研究員曾提出8條發(fā)展策略，值得大家思考和借鑒。
1.在電芯中采用不止一種離子導(dǎo)體。不同于已經(jīng)商用的液態(tài)電池，固態(tài)電池在正極、隔膜和負(fù)極里的電解質(zhì)可以不同，而電極中的電解質(zhì)相可以是混合離子導(dǎo)體，不一定必須是純離子導(dǎo)體。
2.在界面形成離子傳輸路徑�？紤]到連續(xù)的體相傳輸比較困難，多孔粉末電極包含較高的界面/體積比，界面的離子傳輸是混合固液和全固態(tài)電池中必不可少的。一般期望固態(tài)電解質(zhì)超過1mS/cm的體相離子電導(dǎo)率，但這不應(yīng)該是篩選固體電解質(zhì)的唯一要求，設(shè)計(jì)同時(shí)擁有高體相和界面相離子傳輸?shù)膹?fù)合電極是一個(gè)實(shí)際的考慮。
3.為了避免循環(huán)過程中正負(fù)極膨脹和收縮過程中的界面離子接觸逐漸變差的問題，在電極粒子表面生成具有彈性的離子導(dǎo)體界面成為合理的選擇�？刹捎玫牟呗园ㄔ还虘B(tài)化技術(shù)或者使用熔融鹽，或者混合聚合物電解質(zhì)。
4.使用離子或者混合離子導(dǎo)體來包覆正極顆粒�？紤]到聚合物和硫化物可能在4.2VvsLi+/Li電壓以上氧化，需要阻止電化學(xué)氧化反應(yīng)及抑制低穩(wěn)定電極表面釋放氧氣，有效的表面包覆是重要的策略。
5.研發(fā)新的無機(jī)-聚合物復(fù)合離子導(dǎo)體膜作為隔膜。為了大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮隔膜的機(jī)械強(qiáng)度、離子電導(dǎo)率、厚度控制、熱穩(wěn)定性、水分控制、電化學(xué)穩(wěn)定性、抑制鋰枝晶和內(nèi)短路。因此，單純的無機(jī)粒子膜或純聚合物膜很難同時(shí)滿足以上所有要求。在多孔聚合物基體上通過原位固態(tài)化形成具有高穩(wěn)定性的離子導(dǎo)體膜更有實(shí)用性，而隔膜如果能同時(shí)引導(dǎo)負(fù)極與隔膜之間的界面沉積，隔膜綜合性能將進(jìn)一步得到提升。
6.控制膨脹。在高能量密度固態(tài)電池中，顆粒、電極和電池會發(fā)生顯著的體積膨脹。因此，穩(wěn)定的電極主體結(jié)構(gòu)、預(yù)鋰化、高性能粘結(jié)劑和多孔電極結(jié)構(gòu)等控制體積膨脹的技術(shù)變得尤為重要。
7.發(fā)展新工藝技術(shù)。干法電極、厚電極、預(yù)鋰化、界面熱復(fù)合技術(shù)、固態(tài)化技術(shù)和多層包覆技術(shù)是發(fā)展大規(guī)�；旌瞎桃弘姵睾腿虘B(tài)電池重要的技術(shù)。
8.引入固體電解質(zhì)來增強(qiáng)安全性。在電池層面通過多種方法使用固體電解質(zhì)可以顯著提高電池安全性。當(dāng)然，混合固液和全固態(tài)電池的安全性需要系統(tǒng)地評估。
小結(jié)
固態(tài)電池作為一種全新的電池技術(shù)，優(yōu)勢十分明顯，前景也十分廣闊。從當(dāng)下來看，拋開流量光環(huán)，固態(tài)電池技術(shù)仍然在路上，真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)。道阻且長，行則將至。行而不輟，未來可期。
參考來源：
周靜穎，等.全固態(tài)電池的研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)———以表征技術(shù)和理論機(jī)制的突破推動全固態(tài)電池的原始創(chuàng)新
王雷.下一代動力電池技術(shù)：固態(tài)鋰離子電池技術(shù)前景幾何？
李泓.固態(tài)電池，路在何方？
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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