固態電池：顛覆傳統，王者歸來

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

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

固態電池，到底指的是什么

電池技術的進步有目共睹。如今，鋰離子電池已經走進我們生活的各個方面，鋰離子電池的基本構成包括正極、負極、隔膜和電解液四大部分。傳統鋰離子電池的電解液為液態，被譽為鋰離子電池的“血液”。通常，鋰離子電池的電解質為高氯酸鋰、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“離子傳輸的載體”，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、循環壽命、安全性能等。

隔膜也是電化學電池的關鍵組件之一。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進行傳導。實際上，隔膜的性能可以影響電池的界面結構和內阻等，進而影響電池的容量、循環及安全性能等。性能好的隔膜對于提高電池的綜合性能至關重要。

那么，未來的固態電池是一種什么樣的電池呢？按照固態電解質比例劃分，固態電池可分為半固態、準固態和全固態三種。就全固態電池而言，通常指的是構成電池的所有部件均為“固態”。不難看出，全固態電池相較于傳統的液態電池，最大的變化在于傳統的液態電解液變成了全新的固態電解質。由于全固態電池采用了全新的固態電解質，因此也就不需要隔膜器件了。

顛覆傳統，能否突破“天花板”

就二次電池的發展軌跡而言，固態電解質取代液態電解液無論如何都是一大進步，是一項顛覆傳統的重大技術創新。你也許會問，這項技術創新到底能為我們帶來什么？

有專家認為，現有的液態鋰離子電池的能量密度已經接近“天花板”。人們青睞固態電池，是希望通過電解質固態化來突破液態電池的瓶頸和限制，從而獲得更高的能量密度和安全性能。液態鋰離子電池的電化學窗口為4.2伏，而固態電池的電化學窗口大于5伏。因此，固態電池有望大幅度提升理論能量密度。尤其是全固態電池，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，全固態電池被認為是電動汽車未來的發展方向。

走向固態，技術路徑如何走

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

聚合物體系電解質以高分子聚合物作為電解質基體，通過添加導電鋰鹽來構成離子傳導網絡。盡管聚合物電解質體系的研發時間最早，但其導電率和耐高壓性較低。

氧化物體系電解質為國內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，目前被業內認為是具有廣闊應用前景的固態電解質。

硫化物體系電解質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電池電解質材料。但硫化物電解質的電化學穩定性和界面穩定性較差，因此增加了該電解質材料的研發難度。

最近推出的鹵化物固態電解質，由于其具有優異的電化學窗口、高正極穩定性等優勢而受到人們的關注。

一般來講，固態電解質取代液態電解質應當滿足一定的技術條件，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

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

難道固態電池電解質“以固代液”就這么難嗎？沒錯！固態電解質在電池系統中的“硬接觸”遠沒有液態電解質的“軟接觸”成熟和可靠。實際上，大多數固態電解質和電極活性物質間都存在嚴重的界面問題，這已經成為制約固態電池商業化應用的一大“門檻”。

就目前在研的固態電池電解質四大主流技術路徑而言，固態電池中的固—固界面接觸問題就是一個繞不過去的“坎”。

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

前文提到，固態電池可分為半固態、準固態和全固態三種，這是按照固態電解質比例依次上升而劃分出來的。一般來講，半固態電池的液態電解質含量小于10%；準固態電池的液態電解質含量小于5%；而全固態電池的液態電解質含量為零，即不含任何液態電解質。

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

【責任編輯】蒲 暉