朱家辰

（鄭州大學(xué) 化工學(xué)院，河南 鄭州 450000）

1 全固態(tài)鋰電池的概述

為了促進(jìn)我國(guó)新能源技術(shù)的快速發(fā)展，《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》提到實(shí)施動(dòng)力電池技術(shù)突破行動(dòng)，加快全固態(tài)動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化[1]。全固態(tài)鋰電池是指電池的正負(fù)兩級(jí)包括電解質(zhì)都是固態(tài)，不存在任何液體成分，徹底解決了傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池受熱易爆炸的困境。全固態(tài)鋰電池是通過鋰離子進(jìn)行能量傳遞的，具體的方程式如下。正極反應(yīng)：LiFePO4Li1-xFePO4+xLi++xe-；負(fù)極反應(yīng)：xLi++xe-+6CLixC6；總反應(yīng)：LiFePO4+6xCLi1-xFePO4+LixC6。全固態(tài)鋰電池能量傳遞如圖1所示。

圖1 全固態(tài)鋰電池能量傳遞

全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢(shì)：

（1）高安全性。傳統(tǒng)液態(tài)鋰電子電池的電解質(zhì)中有易燃的液態(tài)有機(jī)溶劑，在遇到高溫或因電池短路而導(dǎo)致局部溫度升高時(shí)，極易發(fā)生電池爆炸。而全固態(tài)鋰電池乃無機(jī)材質(zhì)，不易揮發(fā)、阻燃性好，在遇到高溫時(shí)不易發(fā)生爆炸，具有很高的安全性能。

（2）高能量密度。傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電子電池由于存在液態(tài)的電解液，因此需要用軟包將其包裹，以防流失。如此一來，電池的體積、質(zhì)量都不可能很小。而固態(tài)鋰電子電池?zé)o需重重包裹，可以直接正極、電解質(zhì)、負(fù)極相串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)高能量密度。同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)具有較寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，匹配具有更高理論容量的高壓正極材料時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)電池能量密度的進(jìn)一步提升[2]。

（3）高循環(huán)次數(shù)。傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電子電池的正負(fù)兩極在高溫下會(huì)與電解液發(fā)生一定的反應(yīng)，同時(shí)鋰鹽在高溫下也會(huì)發(fā)生一定的分解促進(jìn)電解液的反應(yīng)，電解液消耗殆盡便無法儲(chǔ)能。而全固態(tài)鋰電池則不存在正負(fù)極與電解液發(fā)生反應(yīng)的現(xiàn)象，也不存在鋰鹽在高溫下的溶解，在充放電時(shí)化學(xué)性能穩(wěn)定。固態(tài)電解質(zhì)中鋰枝晶生長(zhǎng)示意如圖2所示。

2 固態(tài)電解質(zhì)的研究現(xiàn)狀

固態(tài)電解質(zhì)作為全固態(tài)電池的核心部件，直接影響電池的性能和壽命。目前，各國(guó)對(duì)全固態(tài)鋰電池的研究核心是固態(tài)電解質(zhì)。全固態(tài)鋰電池分為有機(jī)固態(tài)鋰電池與無機(jī)固態(tài)鋰電池，它們?cè)阡囯x子轉(zhuǎn)移數(shù)、離子電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性以及機(jī)械強(qiáng)度等方面各有差異，合理利用材料實(shí)現(xiàn)優(yōu)缺互補(bǔ)才能促進(jìn)固態(tài)電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展[3]。

有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)安全性高、制作簡(jiǎn)單，可以做成多種形狀，大多以聚合物為主。聚合物之間容易發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致電阻增大。與此同時(shí)，有機(jī)固態(tài)聚合物電解質(zhì)的鋰離子轉(zhuǎn)移數(shù)和離子電導(dǎo)率較低。無機(jī)電解質(zhì)則具有不易燃、不泄漏、機(jī)械強(qiáng)度高、循環(huán)性能好等優(yōu)勢(shì)，目前大多運(yùn)用于電子通信領(lǐng)域。無機(jī)電解質(zhì)主要分為氧化物、硫化物兩種，其中氧化物固態(tài)電解質(zhì)主要有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、石榴石型結(jié)構(gòu)等[4]。氧化物電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度較好，雖然比有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率高，但是相對(duì)于硫化物固態(tài)電解質(zhì)而言偏低。硫化物電解質(zhì)主要包括玻璃體、玻璃-陶瓷態(tài)、晶體硫化物，硫元素與其他元素相比具有較大的半徑，與Li離子的結(jié)合能低，因而具有最高的鋰離子電導(dǎo)率。

綜上所述，有機(jī)固態(tài)聚合物電解質(zhì)最大的劣勢(shì)在于低的離子電導(dǎo)率和鋰離子遷移數(shù)，但其柔韌的特性便于大規(guī)模生產(chǎn)和電池裝配[5]。無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢(shì)在于其具有較高的鋰離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度，但是無機(jī)材料易碎的性質(zhì)使其難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

3 全固態(tài)鋰電池的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 全固態(tài)鋰電池未來發(fā)展趨勢(shì)

通過上述固態(tài)電解質(zhì)的研究現(xiàn)狀分析可以發(fā)現(xiàn)，目前全固態(tài)鋰電池的發(fā)展還存在著一定的困境：一是制備的成本較高；二是能量密度還有提升的空間；三是固體電解質(zhì)、電極間界面阻抗大，界面相容性較差；四是如何制備離子電導(dǎo)率更高的無機(jī)電解質(zhì)材料。

首先，可以通過規(guī)?；a(chǎn)來降低成本，有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)可以最大化發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，提高了電導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性，改善了機(jī)械性能和界面穩(wěn)定性[6]。杜奧冰等人借鑒剛?cè)岵?jì)的思想將鋰離子電池固態(tài)聚合物電解質(zhì)與聚氰基丙烯酸酯混合并涂布在纖維基底上制備復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，纖維為電解質(zhì)提供剛性骨架，聚合物則提供鋰離子傳遞通道，大幅提升電解質(zhì)的力學(xué)性能和電化學(xué)性能[7]。

其次，固態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控與優(yōu)化是強(qiáng)化其離子傳遞特性及穩(wěn)定性的關(guān)鍵。有機(jī)-無機(jī)復(fù)合策略可耦合材料的優(yōu)勢(shì)，啟發(fā)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)，并為離子傳遞特性及穩(wěn)定性的強(qiáng)化提供思路[8]。未來可以設(shè)計(jì)和制備復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，協(xié)同發(fā)揮聚合物良好的柔性、界面穩(wěn)定性和無機(jī)電解質(zhì)高離子電導(dǎo)率、高阻燃性能的優(yōu)勢(shì)，提升離子電導(dǎo)率和電極-電解質(zhì)界面相容性。與此同時(shí)，大幅增強(qiáng)力學(xué)性能，可有效抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，避免電池短路造成安全問題[9]。

最后，強(qiáng)化電解質(zhì)鋰離子傳遞能力?；诜肿铀皆O(shè)計(jì)規(guī)整有序的鋰離子傳遞通道，調(diào)控適宜鋰離子傳遞的物理結(jié)構(gòu)及通道化學(xué)環(huán)境，從介尺度分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)鋰離子傳遞行為的影響機(jī)制，揭示鋰離子在限域空間的傳遞機(jī)理[10]。

3.2 全固態(tài)鋰電池應(yīng)用領(lǐng)域

由于全固態(tài)鋰電池具有高能量密度、高安全性等特點(diǎn)，因此特別適合智能穿戴領(lǐng)域。利用固態(tài)電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)，避免了傳統(tǒng)電解液中酯類、醚類等高毒溶劑的使用，同時(shí)解決了電池易燃易爆的問題，提高了電池的安全性。全固態(tài)鋰電池的光伏發(fā)電智能手表整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電智能手表整體結(jié)構(gòu)

與此同時(shí)，還可以采用光伏直流供電模塊+全固態(tài)鋰電池儲(chǔ)能模塊雙供電模式。在光照充足的白天，可以通過光伏直流電進(jìn)行供電。多余的電能儲(chǔ)存在全固態(tài)鋰電池中，在黑夜或者光照不充足的陰雨天進(jìn)行供電。除此之外，雙供電模式在智能家居、汽車等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

通過分析全固態(tài)鋰電池的工作原理及優(yōu)勢(shì)，比較了有機(jī)固態(tài)鋰電池與無機(jī)固態(tài)鋰電池在鋰離子轉(zhuǎn)移數(shù)、離子電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性以及機(jī)械強(qiáng)度等方面的差異。對(duì)于全固態(tài)鋰電池的未來發(fā)展，可以通過規(guī)?；a(chǎn)來降低成本，同時(shí)通過有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用最大化發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，提升電解質(zhì)鋰離子傳遞能力。