固態電池中的物理問題專題編者按

新能源汽車是當前我國優先發展的支柱性產業， 是國家科技和產業發展的重要方向， 擔負著保障國家能源安全、降低環境污染和汽車行業快速發展等多重責任. 我國制定的《節能與新能源汽車產業規劃(2011—2020)》中指出， 純電動汽車、混合動力汽車是未來發展的重要方向， 動力電池為其中的關鍵技術. 工業和信息化部會同發展改革委、科技部、財政部等有關部門于2017 年2 月20 日聯合印發了《促進汽車動力電池產業發展行動方案》明確提出， 到2020 年， 新型鋰離子動力電池單體比能量超過300 瓦時/公斤， 系統比能量力爭達到260 瓦時/公斤、成本降至1 元/瓦時以下； 到2025 年， 新體系動力電池技術取得突破性進展， 單體比能量達500 瓦時/公斤.

然而， 目前商用鋰離子電池能量密度已達瓶頸， 且液態有機電解質存在易泄露、易腐蝕、易燃燒等安全隱患. 全固態鋰電池相對于液態鋰離子電池來說具有顯著的優點： 1) 相對于液態有機電解質來說， 固態電解質不燃、不泄露、不揮發， 一方面從根本上保證電池的安全性， 另一方面可以避免由于長期循環液態電解質干涸導致的電池壽命短的問題； 2) 液態電解質在高溫(45 ℃以上)下會發生分解， 而固態電解質可以在較寬的溫度范圍內保持穩定， 因此全固態電池即使在高溫下也可以保持良好的工作狀態； 3) 采用固態電解質可以有效地阻擋鋰枝晶的生長， 一方面保證電池的安全性，另一方面使用金屬鋰作負極成為可能， 大幅提升電池的能量密度； 4) 全固態電池體系中， 省去了液體電解質和隔膜， 簡化電池的制造步驟， 減少了非活性成分， 還可以將固態電解質制備成超薄薄膜，從而提升電池的能量密度. 全固態電池由于沒有流動的電解液， 可以先串聯后包裝， 減少非活性材料(電池包裝)的含量， 提升電池包的總體能量密度. 因此， 固態電池已成為下一代鋰離子電池的重要發展方向之一. 全世界主要發達國家和地區都投入了大量財力物力支持固態電池技術的研發， 布局固態電池研發的企業已達50 余家， 并呈現出不斷增長的趨勢. 預計在未來10 年內， 全固態電池技術將會發展為全世界科學家和動力電池企業關注、競爭的焦點技術.

鑒于固態電池領域關鍵物理科學問題研究的挑戰性與緊迫性， 《物理學報》特組織本專題， 邀請國內部分活躍在該領域前沿的中青年專家撰稿， 全面、深入地探討該領域最新研究成果以及基礎的物理科學問題. 本專題主要涉及以下三方面內容： 一、不同類型固態電解質材料體系的特征性物理問題，包括：石榴石型固態鋰電池中的物理問題（青島大學郭向欣等）； 石榴石型固態電解質表界面問題及優化的研究進展（中國科學院上海微系統與信息技術研究所劉嘯嵩等）； 富鈉反鈣鈦礦型固態電解質的簡易合成與電化學性能研究（華中科技大學謝佳等)；三維多孔陶瓷骨架增強的復合電解質（中國科學院青島生物能源與過程研究所崔光磊等）； PEO 基聚合物固態電池的界面研究進展（東北師范大學叢麗娜、謝海明等)； 硫化物固態電解質材料界面及其表征的研究進展(廈門大學楊勇等）； 電解質中離子輸運的微觀物理圖像（上海大學施思齊等）； 二、電解質與電極材料界面的特征性物理問題，包括：全固態電池中界面的結構演化和物質輸運（中國科學院物理研究所谷林等)；全固態金屬鋰電池負極界面問題及解決策略(清華大學深圳國際研究生院李寶華等）； 固態電解質與電極界面的穩定性（復旦大學王飛、Rensselaer Polytechnic Institute 韓福東、University of Maryland 王春生等)； 電解液及其界面電化學性質的機理研究進展（華南師范大學邢麗丹等）；三、全固態電池體系及特殊電極材料中的基礎物理問題，包括：固態鋰電池中的機械力學失效及解決策略（北京科技大學范麗珍等）； 實用化條件下金屬鋰負極失效的研究（河北科技大學陳愛兵、清華大學張強等)；金屬鋰在固態電池中的沉積機理 (中國科學院物理研究所李泓等）； 基于相場模型的電化學儲能材料微結構演化研究進展（上海大學施思齊等）； 電池材料數據庫的發展與應用（中科院物理所肖睿娟、陳立泉等）. 以上三方面內容基本涵蓋了無機/有機固態電解質材料、界面、全固態電池、力學性能研究、模擬、實驗和理論等各個方面， 以不同的視角探討研究了最新進展、問題、現狀和展望. 希望本專題的文章能夠為固態電池領域研究的學術交流做一些貢獻， 進一步促進此研究領域的發展.