說起固態(tài)電池的走紅，用“一夜爆紅”來比喻是再恰當不過了。其實，固態(tài)電池也算不上什么“當紅新星”，因為早在20世紀70年代它就小有名氣了。只因彼時的固態(tài)電池生不逢時，受材料和技術(shù)的制約而性能不佳，伴隨著液態(tài)鋰離子電池的大普及，有關(guān)固態(tài)電池方面的研究只能在實驗室里徘徊。進入21世紀后，關(guān)于固態(tài)電池的研究才再次受到人們的關(guān)注。

近年來，世界各國都在力求搶占固態(tài)電池高地，從政府高層到產(chǎn)業(yè)巨頭，也都在布局固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，這無疑提升了固態(tài)電池的火爆度。我國投入60億元巨資助力“固態(tài)電池國家方陣”，為中國攀登固態(tài)電池巔峰提供資金和政策支持。固態(tài)電池持續(xù)火爆全球，是否預示著電池領(lǐng)域“王者歸來”呢？

固態(tài)電池，到底指的是什么

電池技術(shù)的進步有目共睹。如今，鋰離子電池已經(jīng)走進我們生活的各個方面，鋰離子電池的基本構(gòu)成包括正極、負極、隔膜和電解液四大部分。傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液為液態(tài)，被譽為鋰離子電池的“血液”。通常，鋰離子電池的電解質(zhì)為高氯酸鋰、六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰等，其中六氟磷酸鋰應用極其廣泛。鋰離子電池的電解液就是用電解質(zhì)鋰鹽與有機溶劑和添加劑等原料按一定比例配制而成的。

下面主要談談電解液和隔膜在鋰離子電池中的作用。

電解液在鋰離子電池中的角色為“離子傳輸?shù)妮d體”，即在正負極之間為鋰離子的傳導提供了一個通道。電解液的好壞將會影響鋰離子電池的性能，如能量密度、比容量、工作溫度范圍、循環(huán)壽命、安全性能等。

隔膜也是電化學電池的關(guān)鍵組件之一。鋰離子電池的隔膜具有大量曲折貫通的微孔，能夠保證電解質(zhì)離子自由通過而形成充放電回路。用不導電的隔膜把正極和負極隔開，既能防止正極和負極的物理接觸，又能允許離子通過電解質(zhì)進行傳導。實際上，隔膜的性能可以影響電池的界面結(jié)構(gòu)和內(nèi)阻等，進而影響電池的容量、循環(huán)及安全性能等。性能好的隔膜對于提高電池的綜合性能至關(guān)重要。

那么，未來的固態(tài)電池是一種什么樣的電池呢？按照固態(tài)電解質(zhì)比例劃分，固態(tài)電池可分為半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)三種。就全固態(tài)電池而言，通常指的是構(gòu)成電池的所有部件均為“固態(tài)”。不難看出，全固態(tài)電池相較于傳統(tǒng)的液態(tài)電池，最大的變化在于傳統(tǒng)的液態(tài)電解液變成了全新的固態(tài)電解質(zhì)。由于全固態(tài)電池采用了全新的固態(tài)電解質(zhì)，因此也就不需要隔膜器件了。

顛覆傳統(tǒng)，能否突破“天花板”

就二次電池的發(fā)展軌跡而言，固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解液無論如何都是一大進步，是一項顛覆傳統(tǒng)的重大技術(shù)創(chuàng)新。你也許會問，這項技術(shù)創(chuàng)新到底能為我們帶來什么？

有專家認為，現(xiàn)有的液態(tài)鋰離子電池的能量密度已經(jīng)接近“天花板”。人們青睞固態(tài)電池，是希望通過電解質(zhì)固態(tài)化來突破液態(tài)電池的瓶頸和限制，從而獲得更高的能量密度和安全性能。液態(tài)鋰離子電池的電化學窗口為4.2伏，而固態(tài)電池的電化學窗口大于5伏。因此，固態(tài)電池有望大幅度提升理論能量密度。尤其是全固態(tài)電池，由于其不含可燃性有機溶劑，所以有望降低起火和爆炸等風險。對于電動汽車來說，這無疑是一場深刻的革命。因此，全固態(tài)電池被認為是電動汽車未來的發(fā)展方向。

走向固態(tài)，技術(shù)路徑如何走

盡管全固態(tài)電池前景光明，但是現(xiàn)在仍在開發(fā)的路上，真正的商用推廣尚需時日。這是由全固態(tài)電池的開發(fā)難度決定的。目前在研的固態(tài)電池電解質(zhì)主要有聚合物體系、氧化物體系、硫化物體系和鹵化物體系等四大主流技術(shù)路徑。

聚合物體系電解質(zhì)以高分子聚合物作為電解質(zhì)基體，通過添加導電鋰鹽來構(gòu)成離子傳導網(wǎng)絡(luò)。盡管聚合物電解質(zhì)體系的研發(fā)時間最早，但其導電率和耐高壓性較低。

氧化物體系電解質(zhì)為國內(nèi)研究團隊的主流選擇。像磷酸鈦鋁鋰、鋰鑭鋯氧及石榴石型等氧化物電解質(zhì)，目前被業(yè)內(nèi)認為是具有廣闊應用前景的固態(tài)電解質(zhì)。

硫化物體系電解質(zhì)在理論上能提供更高的能量密度、更快的充電速度，因此被認為是理想的固態(tài)電池電解質(zhì)材料。但硫化物電解質(zhì)的電化學穩(wěn)定性和界面穩(wěn)定性較差，因此增加了該電解質(zhì)材料的研發(fā)難度。

最近推出的鹵化物固態(tài)電解質(zhì)，由于其具有優(yōu)異的電化學窗口、高正極穩(wěn)定性等優(yōu)勢而受到人們的關(guān)注。

一般來講，固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解質(zhì)應當滿足一定的技術(shù)條件，如具有更高的離子傳導性、更寬的電化學窗口及更高的能量密度等。到底哪種技術(shù)路徑能夠走到最后，那就要看它們誰能更勝一籌了。

王者歸來，離我們還有多遠

當固態(tài)電池成為全世界的焦點之時，人們似乎感覺固態(tài)電池已經(jīng)近在咫尺了。其實，固態(tài)電池雖好，但其技術(shù)并不成熟。

難道固態(tài)電池電解質(zhì)“以固代液”就這么難嗎？沒錯！固態(tài)電解質(zhì)在電池系統(tǒng)中的“硬接觸”遠沒有液態(tài)電解質(zhì)的“軟接觸”成熟和可靠。實際上，大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)和電極活性物質(zhì)間都存在嚴重的界面問題，這已經(jīng)成為制約固態(tài)電池商業(yè)化應用的一大“門檻”。

就目前在研的固態(tài)電池電解質(zhì)四大主流技術(shù)路徑而言，固態(tài)電池中的固—固界面接觸問題就是一個繞不過去的“坎”。

既然如此，固態(tài)電池一步到位并非上策，現(xiàn)在實行的“漸進式推進”就是固態(tài)電池發(fā)展的一個可行性方案。所謂“漸進式推進”，指的是固態(tài)電解質(zhì)漸進式替代。這已成為當下液態(tài)電池向全固態(tài)電池過渡的一個最優(yōu)選擇。

前文提到，固態(tài)電池可分為半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)三種，這是按照固態(tài)電解質(zhì)比例依次上升而劃分出來的。一般來講，半固態(tài)電池的液態(tài)電解質(zhì)含量小于10%；準固態(tài)電池的液態(tài)電解質(zhì)含量小于5%；而全固態(tài)電池的液態(tài)電解質(zhì)含量為零，即不含任何液態(tài)電解質(zhì)。

從液態(tài)電池到全固態(tài)電池，無論從材料變革還是工藝創(chuàng)新，都將面臨一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)。目前在全世界，全固態(tài)電池仍然處于研發(fā)和試制階段，距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用還需要一段時間。可以預見，全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化之時，將會在人類化學電池領(lǐng)域掀起一場革命，并有望深刻改變未來社會生產(chǎn)和生活的面貌。

【責任編輯】蒲 暉