固态锂电池研究进展怎么样了？它的未来前景好吗？

固态电池介绍

传统锂离子电池采用有机液体电解液，在过度充电、内部短路等异常的情况下，电池容易发热，造成电解液气胀、自燃甚至爆炸，存在严重的安全隐患。20 世纪50 年代发展起来的基于固体电解质的全固态锂电池，由于采用固体电解质，不含易燃、易挥发组分，彻底消除电池因漏液引发的电池冒烟、起火等安全隐患，被称为最安全电池体系。对于能量密度，中、美、日三国政府希望在2020 年开发出400 ～ 500 Wh /kg 的原型器件， 2025～ 2030 年实现量产，要实现这一目标，目前公认的最有可能的即为金属锂负极的使用，金属锂在传统液态锂离子电池中存在枝晶、粉化、SEI( 固态电解质界面膜) 不稳定、表面副反应多等诸多技术挑战，而固态电解质与金属锂的兼容性使得使用锂作负极成为可能，从而显著实现能量密度的提升。

不同种类电解质及其锂离子电池体系的性质对比

固态电解质研究进展

对于固态电池，固态电解质是其区别于其他电池体系的核心组成部分，理想的固态电解质应具备工作温度区间(特别是常温)保持高的锂离子电导率;可忽略或者不存在晶界阻抗;与电极材料的热膨胀系数匹配;在电池充放电过程中，对正负极电极材料保持良好的化学稳定性，尤其是金属锂或锂合金负极;电化学宽口宽，分解电压高;不易吸湿，价格低廉，制备工艺简单，环境友好。

目前，量产聚合物固态电池中聚合物电解质的材料体系是聚环氧乙烷（PEO）。PEO类聚合物电解质的特点是在高温下离子电导率高，容易成膜，易于加工，与正极复合后可以形成连续的离子导电通道，正极面电阻较小。PEO的氧化电位在3.8 V，钴酸锂、层状氧化物、尖晶石氧化物等高能量密度正极难以与之匹配，需要对其改性；其次，PEO 基电解质工作温度在60～85 ℃, 电池系统需要热管理，这对于动力和储能应用来说需要专门的电池系统的设计；再次，该类电池直接使用金属锂，充放电过程中在界面处不均匀的沉积仍然存在锂枝晶穿过聚合物膜造成内短路的隐患，此外倍率特性也有待提高。发展耐高电压、室温离子电导率高、具有阻挡锂枝晶机制、力学特性良好的聚合物电解质是重点研究方向。

无机固态电解质主要包括氧化物和硫化物。已经小批量生产的固态电池主要是以无定形LiPON为电解质的薄膜电池。无机固态电解质的优点是有些材料体相离子电导率高，能够耐受高电压，电化学、化学、热稳定性好，抑制锂枝晶方面有一定效果。

相对于氧化物，硫化物由于相对较软，更容易加工，通过热压法可以制备全固态锂电池。最近展示的固态锂电池室温下甚至能在60 C 下工作，虽然此时体积和质量能量密度会显著下降，但至少这一结果体现了固态电池在高功率输出方面的潜力。硫化物电解质还存在空气敏感，容易氧化，遇水容易产生硫化氢等有害气体的问题。通过在硫化物中复合氧化物或掺杂，这一问题可以在一定程度上改善，但最终能否满足应用对安全性、环境友好特性的要求还需要实验验证。现阶段，采用无机陶瓷固体电解质的全固态大容量电池电芯的质量和体积能量密度还显著低于现有液态锂离子电池。