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)，腳踏實地，匍匐前行，畢竟還有很多現(xiàn)實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，尤其是交通領域的電動化浪潮，使得應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。但其熱分解溫度遠低于磷酸鐵鋰，且熱分解所產(chǎn)生的氧氣會與易燃的有機電解液發(fā)生劇烈反應，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用熱潮之后，近期電動汽車企業(yè)的產(chǎn)品設計和國家政策導向均呈現(xiàn)明顯的回歸磷酸鐵鋰之勢。在負極側，鋰電池技術的發(fā)展也曾經(jīng)歷相似的妥協(xié)式回歸。金屬鋰負極的理論比容量為3861mAh/g，是目前采用的石墨負極理論比容量的十倍以上，且電極電勢低，是構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)金屬鋰負極存在嚴重的安全隱患，最終擱置了它的應用，主要是因為極度活潑的鋰金屬化學穩(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極制備了鋰離子電池。該體系在三十多年內(nèi)不斷改進，但石墨負極一直沿用至今。
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。亟需構筑變革性電池體系以滿足新興應用更為嚴苛的性能需求。全固態(tài)電池采用不可燃的固態(tài)電解質(zhì)取代易燃、易爆的有機電解液，有望在高能量密度的條件下實現(xiàn)高安全和長循環(huán)。高機械強度、高電化學穩(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極的應用奠定了基礎；但也從根本上改變了電池體系中的物質(zhì)輸運、界面電化學、應力演化等物理、化學與力學過程。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)。
從長遠來看，固態(tài)電池的道路一片光明，但是回到當下，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。固態(tài)電池最大的特點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)鏈相關企業(yè)重點布局的方向之一，多個國家將其列為重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)并明確了發(fā)展規(guī)劃和目標。
固態(tài)電池技術一旦突破產(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，進一步對正負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)電池結構對比
固態(tài)電池的未來充滿了想象，而且在當下多種應用場景對高性能電池存在普遍渴望的背景下，固態(tài)電池技術天生就自帶流量，隨便一個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)電池時代是不是真的要來了？
回到現(xiàn)實之中，固態(tài)電池發(fā)展面臨的一些科學問題依舊沒有被完全解答！
當下的現(xiàn)狀：全固態(tài)電池面臨三大問題，我國仍有機會
盡管經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，固態(tài)電池的一些關鍵科學問題、部分核心材料和技術依然尚未取得突破，這制約了其規(guī)�；慨a(chǎn)和應用，主要難題和挑戰(zhàn)包括：電解質(zhì)室溫離子電導率過低；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；適應規(guī)�；a(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)中的離子輸運機制、全固態(tài)電池中的鋰枝晶生長機制以及多場耦合下的失效、失控機制。總結出全固態(tài)電池的發(fā)展亟需解決三個核心科學問題：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機制至關重要。這是進一步提升離子導電率、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)離子學科發(fā)展的科學基礎。第二，高機械強度的固態(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)生電化學反應，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過程及其枝晶生長過程是實現(xiàn)高比容鋰金屬負極長效穩(wěn)定循環(huán)的先決條件。第三，全固態(tài)電池中的離子輸運、界面電化學等物理化學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，建立真實工況下全固態(tài)電池復雜體系的物理化學模型，揭示其多場耦合下的失效、失控機制是優(yōu)化全固態(tài)電池電化學性能的重要科學支撐。
從當下的參與主體來看，縱觀國內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢，美國在基礎研究方面仍然處于領先地位，且多家初創(chuàng)企業(yè)擁有核心專利技術，但產(chǎn)業(yè)化方面仍存在比較大的挑戰(zhàn)。日韓產(chǎn)學研結合緊密，研發(fā)起步早，在全固態(tài)電池特別是關鍵材料上積累了大量的基礎、核心專利，引領了全固態(tài)電池技術的發(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，但在理論機制及關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)電池技術未來大規(guī)模生產(chǎn)及商業(yè)應用，路在何方？中國科學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體，不一定必須是純離子導體。
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的體相離子電導率，但這不應該是篩選固體電解質(zhì)的唯一要求，設計同時擁有高體相和界面相離子傳輸?shù)膹秃想姌O是一個實際的考慮。
3.為了避免循環(huán)過程中正負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體界面成為合理的選擇�？刹捎玫牟呗园ㄔ还虘B(tài)化技術或者使用熔融鹽，或者混合聚合物電解質(zhì)。
4.使用離子或者混合離子導體來包覆正極顆粒。考慮到聚合物和硫化物可能在4.2VvsLi+/Li電壓以上氧化，需要阻止電化學氧化反應及抑制低穩(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-聚合物復合離子導體膜作為隔膜。為了大規(guī)模生產(chǎn)和應用，應當同時考慮隔膜的機械強度、離子電導率、厚度控制、熱穩(wěn)定性、水分控制、電化學穩(wěn)定性、抑制鋰枝晶和內(nèi)短路。因此，單純的無機粒子膜或純聚合物膜很難同時滿足以上所有要求。在多孔聚合物基體上通過原位固態(tài)化形成具有高穩(wěn)定性的離子導體膜更有實用性，而隔膜如果能同時引導負極與隔膜之間的界面沉積，隔膜綜合性能將進一步得到提升。
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)定的電極主體結構、預鋰化、高性能粘結劑和多孔電極結構等控制體積膨脹的技術變得尤為重要。
7.發(fā)展新工藝技術。干法電極、厚電極、預鋰化、界面熱復合技術、固態(tài)化技術和多層包覆技術是發(fā)展大規(guī)�；旌瞎桃弘姵睾腿虘B(tài)電池重要的技術。
8.引入固體電解質(zhì)來增強安全性。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
固態(tài)電池作為一種全新的電池技術，優(yōu)勢十分明顯，前景也十分廣闊。從當下來看，拋開流量光環(huán)，固態(tài)電池技術仍然在路上，真正的產(chǎn)業(yè)化應用任重而道遠。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)電池的研究進展與挑戰(zhàn)———以表征技術和理論機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：固態(tài)鋰離子電池技術前景幾何？
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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