固态电池会是新一代电池技术引领者吗？

2021-04-24 ryder

电池技术发展到今天，可以说相对已经比较成熟了，但也同样遇上了瓶颈，急需新一代技术的诞生，尤其是新能源范畴。

固态电池是有望成为下一代动力电池技术中，呼吁声最高的一种。因为全固态电池不仅技术成熟度相对较高，国内外众多锂电池企业也已将全固态电池技术作为紧要的下一代技术储备。

此外，固态电池还是像前不久获得诺贝尔化学的约翰·班宁斯特·古迪纳夫等一批国际顶尖学者极力支持的技术。

所以，无论是主观还是客观，发展固态电池都是必然选择，当然时间可能会比较漫长一点，道路可能会比较蜿蜒一些。

固态电池具有高安全性、高能量密度、长循环寿命、宽工作温度范围等优势，其中非常核心的就是固态电解质。

从技术路径来讲，固态电解质主要可分为三大类，即氧化物电解质，例如常见的LLZO类电解质；硫化物电解质，例如Li2S–P2S5电解质；有机聚合物电解质，例如常见的PEO基聚合物电解质等。

在固态电池技术发展早期，由于固态电解质材料电导率相对较低，研发的重点多聚集在提高固态电解质的电导率方面，因此具有高离子电导率的硫化物电解质和氧化物固态电解质吸引了广泛关注。

但是随着技术的不断进步，研究者发现电导率已不是制约固态电池发展的主要因素，界面问题与量产工艺才是当下需要克服的难点。

硫化物和氧化物电解质机械出产性能较差，界面接触问题与量产化工艺问题迟迟无法处理，而聚合物电解质由于具有优良的出产特性与良好的界面接触成为了三种技术路线中最有希望的一种。

聚合物基固态锂电池在学术研究方面已经取得了长足进步，但是其产业化进程依然相对缓慢，目前尚无明确的商业化时间表。

总体来看，聚合物电解质出产性能优异，能与电极材料形成良好的界面接触，但该电解质常温电导率较低，因此采用聚合物电解质的锂电池很难在60℃以下的温度进行工作。

硫化物固态电解质常温电导率非常高，与液态电解质接近，出产性能较好，但是在大气环境中不稳定，容易与其中的水分加工剧毒的H2S气体，因此整个出产过程需要在惰性气氛保护下进行，加工成本较高。

氧化物电解质电导率较高，在空气中稳定性较好，但与电极材料界面问题有待优化，且氧化物电解质脆性较大，出产性能较差。

所以，虽然固态电池目前具有锂电池所无法比拟的优点，但是全固态电池的开发依然是一条洋溢荆棘的路，目前主要存在成本高、界面接触不良、锂枝晶生长等问题。

成本方面，以常见的LLZO电解质为例，LLZO电解质当前价格为2000$/kg，远高于传统碳酸酯类电解液。

界面接触方面，在全固态电池中，过渡金属氧化物颗粒依然是主要的正极材料，当制成电极时，会在电极内形成大量复杂的孔隙，传统的液态电解质能够渗入这些孔隙，从而保证所有的活性物质都能够参与到电化学反应之中。

但固态电解质不具有流动性，因此很难保证活性物质颗粒与固态电解质的充足接触，同时电池充放电过程中活性物质的体积变化也会进一步破坏固态电解质与活性物质颗粒的接触界面，造成固态电解质与活性物质之间较大的接触阻抗，影响固态锂电池的性能发挥。

此外，固态电池依然存在锂枝晶问题，通常我们认为固态电解质良好的机械强度能够有效的抑制Li枝晶的生长，但是研究却声明Li枝晶依然能够沿着Li7La3Zr2O12与Li2S–P2S5两类固态电解质的晶界快速生长，往往几十次循环就会发生内短路，严重影响全固态锂电池的使用寿命。