固態鋰離子電池的結構及優缺點

所謂的固態鋰離子電池就是不管電極和電解液都是固態形式的。目前市面上普遍使用的鋰離子電池都是采用液態或者聚合物電解質材料的。

將固體鋰薄膜二次電池按照陽極、電解液、陰極的順序在基底上制備成薄膜，封裝成電池。在制備過程中，要使用相應的技術來制備電池的各個薄膜層。一般來說，負極多采用金屬鋰，采用真空熱沉積（VD）技術制備。電解液和正極包括氧化物負極可以采用多種濺射技術，如射頻濺射（RFS）、射頻磁控濺射（RFMS）等。

固態鋰離子電池的結構

固態鋰電池從宏觀方面看，也是由固態正電極材料、固態電解質、固態負電極材料構成的，其工作原理和液態鋰電池類似。

固態電池正電極材料是活性物質，其作用是大量地集合鋰正離子；在化學電勢作用下正離子失去電子，電子由外電路流向負電極；失去電子的鋰離子通過固態電解質游離向負電極；固態負電極材料的作用是大量地嵌入失去電子的鋰離子，這些失去電子的負離子在負電極與電子結合之后的正離子又向正電極游離；固態電解質的作用是讓鋰離子在正負電極之間順利地傳導。簡單地說，固態鋰電池也是僅僅依靠鋰離子在正負極之間的移動來實現充放電過程的。

上圖是目前固態鋰電池的基本結構，其中的緩沖層是為了讓固態電極和固態電解質能夠有效地相容結合所使用的；隔離層是為了防止內部的正負極短路而設置的，如果技術再進步，就可以去掉隔離層。簡單地說，固態鋰電池和液態鋰電池在宏觀結構方面是一樣的，根本的區別在于電解質是固態的。

上圖所示的含有隔離層的稱為準固態電池，沒有隔離層的稱為全固態電池。目前研發生產的是準固態電池，文中簡稱為固態電池。

當然，固態鋰電池與液態鋰電池比較，其優勢在于：

①完全消除了電解液腐蝕和泄露的安全隱患，熱穩定性更高，不會發生燃爆問題；

②電池單體的電壓可達5V以上 ，能量密度也較高，可以匹配高電壓電極材料；

③固體電解質是單離子導體，不存在副反應，電池使用壽命更長。

④電池由固體功能塊拼裝，不僅能夠減輕重量而且能夠降低生產成本。

也正是固態電解質的原因，固態鋰電池在材料選擇和加工方面都產生了新的要求：

①“固態電解質”要求能夠在室溫下具有高電導率和電化學穩定性；

②正負電極材料要求能夠滿足高能量密度，材料的熱穩定性好；

③在固態電極和固態電解質的界面，要求有良好的電導率和相容性。

固態鋰離子電池的優缺點

固態鋰離子電池相較于傳統液態鋰離子電池具有以下優點：

1. 安全性提高：固態電解質具備優秀的熱穩定性和耐化學腐蝕性，使得固態鋰離子電池在高溫和外力沖擊等極端條件下更加安全可靠。相比之下，傳統液態電池存在液體電解質泄漏和燃燒爆炸等安全隱患。

2. 能量密度提升：固態電池采用鋰金屬作為負極材料，相比傳統碳基負極材料，能夠實現更高的能量密度，提供更長的續航里程。

3. 充電速度加快：固態電解質具備更高的離子導電性能，能夠支持更快的充電速度。這意味著固態鋰離子電池可以在更短的時間內充滿，提高了充電效率和用戶體驗。

4. 抗寒性能優異：固態電解質相比液態電解質在低溫環境下具備更好的離子導電性能，使得固態鋰離子電池在極寒地區或低溫應用場景下表現更為出色。

然而，固態鋰離子電池目前仍面臨一些挑戰和缺點：

1. 成本較高：固態電池的制造成本相對較高，包括高純度材料、復雜的生產工藝和設備要求等。這導致固態鋰離子電池的商業化應用面臨一定的挑戰。

2. 界面問題：固態電池的界面穩定性對電池性能和壽命起著關鍵作用。當前固態電池還面臨著界面不穩定、電極容量衰減等問題，需要進一步的研究和改進。

3. 壽命和循環性能：固態電池的壽命和循環性能仍需要進一步提高。目前，固態鋰離子電池在長周期循環中可能存在電極極化、離子界面阻抗增大等問題。

固態鋰離子電池作為下一代電池技術，具備廣闊的應用前景和諸多優勢，但仍需要進一步的研發和改進來克服存在的技術挑戰。

在制備工藝上，由于目前的固態電解質膜彈性較差，固態電池組裝比纏繞工藝更傾向于分層，但細分工藝未知。在制造設備方面，固態電池雖然與傳統的鋰離子電池有很大的不同，但除了在涂裝、包裝等過程中要定制設備，制造環境要在要求更高的干燥室中進行外，并沒有本質的不同。

審核編輯：黃飛