科普一下
，什麼是全固態電池
？如果通俗地講，全固態電池就是裏麵沒有氣體、沒有液體
，所有材料都以固態形式存在的電池。而考慮到現在人們日常生活中最為常見的電池為鋰離子電池，我們在這裏將默認把“全固態鋰離子電池”當做全固態電池的代表（暫時忽略全固態鋰硫等新型電池）。

 

本文也會著重介紹全固態鋰離子電池（以下將全部簡稱為“全固態電池”）的各方麵，以饗讀者。

 

一般來說，鋰離子電池主要由正極、負極

、隔膜、電解液、結(jie)構(gou)殼(ke)體(ti)等(deng)部(bu)分(fen)組(zu)成(cheng)，其(qi)中(zhong)電(dian)解(jie)液(ye)使(shi)得(de)電(dian)流(liu)可(ke)以(yi)在(zai)電(dian)池(chi)內(nei)部(bu)以(yi)離(li)子(zi)形(xing)式(shi)傳(chuan)導(dao)。電(dian)解(jie)液(ye)技(ji)術(shu)是(shi)鋰(li)電(dian)池(chi)的(de)核(he)心(xin)技(ji)術(shu)之(zhi)一(yi)
，也(ye)是(shi)現(xian)在(zai)電(dian)池(chi)工(gong)業(ye)中(zhong)利(li)潤(run)很(hen)高(gao)的(de)一(yi)個(ge)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)。

 

鋰離子電池的結構示意圖，其中Li+（鋰離子）在內電路中，通過電解質傳導

 

但是很多讀者可能發現過自己的鋰電池用久後有的會鼓脹，而在更極端的小概率事件下，有的甚至會發生危險（比如近來的扭扭車的電池爆炸事件
，導致了相關的生產企業和電池企業遇到了全麵的困難）。另外一般來說，現在的鋰離子電池的工作溫度範圍有限，在40 度以上的高溫下壽命會急劇縮短，安全性能會也出現很大的問題（所以特斯拉MODEL S會有一套嚴格的電池溫控係統，就是為此）。

 

實際上


，以上所說的幾個安全方麵的問題都是與我們現在電池用的有機體係的電解液直接相關的。

 

而er為wei了le解jie決jue電dian池chi安an全quan問wen題ti，提ti高gao能neng量liang密mi度du，目mu前qian科ke研yan界jie和he工gong業ye界jie都dou在zai研yan發fa以yi及ji生sheng產chan全quan固gu態tai電dian池chi，也ye就jiu是shi把ba傳chuan統tong的de鋰li離li子zi電dian池chi的de隔ge膜mo和he電dian解jie液ye，換huan成cheng固gu態tai的de電dian解jie質zhi材cai料liao。那na麼me說shuo來lai說shuo去qu，相xiang比bi於yu我wo們men生sheng活huo中zhong最zui常chang見jian的de普pu通tong鋰li離li子zi電dian池chi
，全quan固gu態tai電dian池chi的de優you點dian主zhu要yao有you哪na些xie呢ne

？

 

 

 

shiyonglequangutaidianjiezhihou，lilizidianchideshiyongcailiaotixiyehuifashenggaibian，qizhonghexindeyidianjiushikeyibubishiyongqianlideshimofuji
，ershizhijieshiyongjinshulilaizuofuji，zheyangkeyimingxianjianqingfujicailiaodeyongliang
，shidezhenggedianchidenengliangmiduyoumingxiantigao。

 

ciwai，xuduoxinxinggaoxingnengdianjicailiao，kenengzhiqianyuxianyoudedianjieyetixidejianrongxingbingbuhao，danshizaishiyongquangutaidianjiezhihougaiwentikeyidedaoyidingdehuanjie。

 

綜合考慮到以上兩大因素，全固態電池相比於一般鋰離子電池，能量密度可以有一個較大幅度的提升：現在許多實驗室中，都已經可以小規模批量試製出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池了（一般鋰離子電池是100-220Wh/kg）。

 

從能量密度的數據上看，或許全固態電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級到“兩天一充”。

 

另外，電池技術的前進受到電化學規律的製約，其容量上升是有理論極限的，一般很難以一個較大的幅度產生飛越式的、顛覆式的發展。因此建議廣大讀者擦亮眼睛，一但發現有性能“翻一/幾番”
，“幾分鍾充滿電”，“成本下降70%”一類新聞時，要加倍警覺
，因為此類新聞宣傳誤導的嫌疑很大，而背後存在的問題往往總是避而不談。

 

 

實際上，體積能量密度對於電池來說是一個很重要的參數，如果就應用領域來說，要求從高到低是消費電子產品>家用電動汽車>電動公交車。

 

如果通俗地講
，就是體積能量密度高了
，因此相同質量的電池才能做的體積更小。

 

電子產品中的可用空間往往很有限，很多產品（例手機、平板電腦）有近1/3左右的體積和質量已經被電池占據，而且在廣大生產廠商和消費者希望對電池進一步提高容量（增加續航）和壓縮體積（便攜美觀和便於設計）的要求下
，高壓實、體積能量密度最高的鈷酸鋰（LCO）電池依然是當仁不讓的主流產品。

 

傳統鋰離子電池中
，需要使用隔膜和電解液，它們加起來占據了電池中近40%的體積和25%的質量。而如果把它們用固態電解質取代（主要有有機和無機陶瓷材料兩個體係）
，正負極之間的距離（傳統上由隔膜電解液填充，現在由固態電解質填充）可以縮短到甚至隻有幾到十幾個微米，這樣電池的厚度就能大大地降低——因此全固態電池技術是電池小型化，薄膜化的必經之路。

 

不僅如此，很多經過物理/化學氣相沉積（PVD/CVD）製備的全固態電池，其整體厚度可能隻有幾十個微米，因此就可以製成非常小的電源器件
，整合到MEMS（微機電係統）領ling域yu中zhong。能neng夠gou製zhi成cheng體ti積ji非fei常chang小xiao的de電dian池chi也ye是shi全quan固gu態tai電dian池chi技ji術shu的de一yi大da特te色se，這zhe可ke以yi方fang便bian電dian池chi適shi應ying各ge種zhong新xin型xing小xiao尺chi寸cun智zhi能neng電dian子zi設she備bei的de應ying用yong，而er在zai這zhe一yi點dian上shang傳chuan統tong的de鋰li離li子zi電dian池chi的de技ji術shu是shi很hen難nan達da到dao的de。

 

現在鋰離子電池各組分的(a)體積占比和(b)質量占比

 

目mu前qian許xu多duo納na米mi材cai料liao實shi用yong的de一yi大da關guan鍵jian障zhang礙ai就jiu在zai於yu比bi表biao麵mian積ji大da，體ti積ji密mi度du過guo低di，導dao致zhi如ru果guo基ji於yu這zhe些xie材cai料liao製zhi成cheng產chan品pin，往wang往wang相xiang同tong質zhi量liang下xia占zhan據ju體ti積ji過guo大da，即ji體ti積ji能neng量liang密mi度du偏pian低di，完wan全quan無wu法fa滿man足zu一yi般ban工gong業ye品pin的de要yao求qiu。所suo以yi現xian在zai的de納na米mi（電池）材料科研中往往選擇了不報道這方麵的參數，原因不難理解。

 

 

全固態電池可以經過進一步的優化，變成柔性電池
，從而帶來更多的功能和體驗。

 

shijishang，jishishicuixingdetaocicailiao，zaihoudubodaohaomijiyixiahoujingchangshikeyiwanqude，cailiaohuibiandeyourouxing。xiangyingde，quangutaidianchizaiqingbohuahourouxingchengduyehuiyoumingxiandetigao，tongguoshiyongshidangdefengzhuangcailiao（不能是鋼性的外殼）
，製(zhi)成(cheng)的(de)電(dian)池(chi)可(ke)以(yi)經(jing)受(shou)幾(ji)百(bai)到(dao)幾(ji)千(qian)次(ci)的(de)彎(wan)曲(qu)而(er)保(bao)證(zheng)性(xing)能(neng)基(ji)本(ben)不(bu)衰(shuai)減(jian)。實(shi)際(ji)上(shang)，以(yi)各(ge)種(zhong)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)為(wei)代(dai)表(biao)的(de)柔(rou)性(xing)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)是(shi)下(xia)一(yi)代(dai)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)發(fa)展(zhan)的(de)重(zhong)要(yao)方(fang)向(xiang)，而(er)這(zhe)就(jiu)要(yao)求(qiu)該(gai)產(chan)品(pin)中(zhong)的(de)元(yuan)件(jian)同(tong)樣(yang)需(xu)要(yao)具(ju)有(you)柔(rou)性(xing)

，因(yin)此(ci)柔(rou)性(xing)全(quan)固(gu)態(tai)電(dian)池(chi)是(shi)科(ke)研(yan)與(yu)工(gong)業(ye)界(jie)中(zhong)，非(fei)常(chang)有(you)前(qian)景(jing)的(de)明(ming)日(ri)之(zhi)星(xing)。

 

韓國KAIST製備的典型疊層結構的柔性全固態電池

 

不僅如此，功能化的全固態電池潛力遠不隻以上的柔性電池，經過電池材料結構優化可以製成透明電池，或者是拉伸幅度可達300%的可拉伸電池，或是可以和光伏器件集成化的發電-存儲一體化器件等等——全固態電池所意味的功能上的創新應用前景還有很多，在這方麵科研人員與工程師們的想像力會給我們帶來越來越多的驚喜。

 

拉伸變形度可達300%全固態電池的結構示意圖

 

太陽能電池和超級電容器一體集成纖維狀器件示意圖

 

 

作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)能(neng)量(liang)存(cun)儲(chu)器(qi)件(jian)，實(shi)際(ji)上(shang)所(suo)有(you)電(dian)池(chi)在(zai)熱(re)力(li)學(xue)實(shi)質(zhi)上(shang)都(dou)不(bu)可(ke)能(neng)是(shi)絕(jue)對(dui)安(an)全(quan)的(de)。但(dan)是(shi)電(dian)池(chi)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)決(jue)定(ding)其(qi)真(zhen)正(zheng)安(an)全(quan)性(xing)的(de)因(yin)素(su)是(shi)多(duo)方(fang)麵(mian)的(de)，影(ying)響(xiang)因(yin)素(su)包(bao)括(kuo)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)極(ji)材(cai)料(liao)特(te)性(xing)、電解液的性質，以及電子產品中的電池管理係統等。

 

目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關心的重點
，在這裏用“不夠理想”來評價現在電池的安全性
，應該是一個比較合適的評價。

 

 

1.電極材料特性，比如在大電流下工作有可能出現鋰枝晶，從而刺破隔膜導致短路破壞；

2.電解液為有機液體
，在高溫下發生副反應
、氧化分解
、產生氣體
、發生燃燒的傾向都會加劇
；

3.電池質量參差不齊，尤其是小廠家的電池安全性能不達標
；

4.電池管理係統不合格，造成電池的過充放，導致危險的發生。

 

用剪刀減掉電池一角後
，仍然能夠安全
、正常工作的柔性全固態電池

 

而如果采用了全固態電池技術
，以上的1和2兩點問題就可以直接得到解決，而且所得的電池的最高工作溫度可以從現在的40度(du)提(ti)升(sheng)到(dao)更(geng)高(gao)，這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)使(shi)電(dian)池(chi)的(de)適(shi)應(ying)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)區(qu)間(jian)更(geng)寬(kuan)

，應(ying)用(yong)範(fan)圍(wei)也(ye)會(hui)更(geng)廣(guang)。安(an)全(quan)性(xing)，其(qi)實(shi)是(shi)全(quan)固(gu)態(tai)電(dian)池(chi)領(ling)域(yu)發(fa)展(zhan)的(de)最(zui)根(gen)本(ben)驅(qu)動(dong)力(li)之(zhi)一(yi)。

 

yishangshuolequangutaidianchidezhongzhongyoudian。shijishang，zhegeshijieshangmeiyouwanmeiwuquedeshiwu，duiyuyizhongjishudebaodaowomenrenweibuyinggaizhibaoxi
，bubaoyou。yincizaizheliyebixujieshaoyixiaquangutaidianchidejigequedian。

 

 

 

缺點一就是固態電解質電導率總體偏低，低於它們的“前輩”——液ye態tai電dian解jie液ye。這zhe就jiu導dao致zhi了le目mu前qian全quan固gu態tai電dian池chi的de倍bei率lv性xing能neng整zheng體ti偏pian低di，內nei阻zu較jiao大da，高gao倍bei率lv放fang電dian時shi壓ya降jiang較jiao大da
，如ru果guo想xiang指zhi望wang該gai類lei技ji術shu能neng在zai近jin期qi解jie決jue電dian池chi快kuai充chong的de問wen題ti，基ji本ben上shang是shi不bu可ke能neng的de。

 

dangranle，gutaidianjiezhidediandaolvsuizhewendushangshengyehuiyoumingxiandetigao，suoyizhejiudaozhileyigeyouqudexianxiang，jiushiquangutaidianchizuihaohuozheshuobixuzaigaoyidiandewenduxiagongzuo，cainengfahuilianghaodexingneng。yincimuqianshimianshangyouxieshiyongquangutaidianchidechanpin，shijishangdoubushizaishiwenxiagongzuode
，zuidianxingdelizijiushifaguoyijingzaiyunxingde3000餘輛使用全固態電池的出租車（電芯能量密度可以達到260Wh/kg
，優於現在商用的普通鋰離子電池）。

 

 

目前的全固態鋰電池的電解質主要有有機和無機兩大體係，成本總體偏高，尤其是無機體係的電池很多采用CVD/PVD等複雜的工藝製備，生產（沉積薄膜）速度慢，成本昂貴，單體電池容量很小，往往隻適合做小型電子器件用的電池。

 

因此現在的全固態電池如果要和普通鋰離子電池在傳統市場上競爭，並沒有太大的優勢。發揮全固態電池本身高安全性
、高溫穩定性、可能達到的柔性等其它多功能特性，與傳統鋰離子電池在差異化的市場中競爭，可能是全固態電池近期內比較有希望的市場突破方向。

 

bujinruci，quangutaidianchixianzaidezhibeijishuchengshuduzongtiyiban，nengxingchengguimochannengdeqiyefeichangyouxian，jishuguimohuakuochanxuyaokefudekunnanhaiyouhenduo，rengchuyutuiguangfazhanqi。danshikeyiyuqideshi
，suizheyanfahegongyejishudebuduanfazhan，quangutaidianchizhongdekexuehegongyishangdewentihuizhujiandedaohuanjie，zaiweilaijinian
，gaileichanpindeshichanghuiyinglaipengbofazhandejiyu。

 

 

目前全固態電池主要可以用於電子器件
、電動汽車、RFID、植入式醫療設備、無線傳感器等，主要應用於微電池領域。在汽車動力電池領域也有，但是受製於技術發展水平
，應用要少一些。

 

現在已經有許多start-ups以及傳統工業巨頭公司投入到了全固態電池行業中。

 

以美國Seeo公司為例，該公司一直從事全固態電池的研發和生產
，目前最先進的電池能量密度已經達到350Wh/kg，在今年9月，德國汽車工業巨頭BOSCH已經完成了對該公司的收購。不僅如此，Sakti3、Cymbet Corporation
、Prologium、包bao括kuo豐feng田tian公gong司si等deng等deng，在zai全quan固gu態tai電dian池chi的de研yan發fa生sheng產chan方fang麵mian也ye傾qing注zhu了le很hen多duo精jing力li
，蘋ping果guo公gong司si也ye在zai全quan固gu態tai電dian池chi方fang向xiang做zuo了le專zhuan利li布bu局ju，這zhe說shuo明ming這zhe些xie大da公gong司si是shi普pu遍bian非fei常chang看kan好hao全quan固gu態tai電dian池chi技ji術shu的de。

 

總體來說，全固態電池是電池科研與工業界公認的下一步電池發展的主流方向已經沒有懸念，但是具體到固態電解質的電導率、電池倍率、電池製備效率
、成cheng本ben控kong製zhi方fang麵mian
，全quan固gu態tai電dian池chi仍reng然ran有you一yi段duan路lu要yao走zou。因yin此ci從cong近jin期qi來lai看kan，全quan固gu態tai電dian池chi在zai一yi些xie細xi分fen的de電dian子zi器qi件jian產chan品pin領ling域yu首shou先xian取qu得de突tu破po，贏ying得de消xiao費fei者zhe認ren可ke是shi比bi較jiao可ke行xing的de。而er在zai遠yuan期qi，隨sui著zhe技ji術shu的de發fa展zhan，相xiang信xin全quan固gu態tai電dian池chi必bi將jiang能neng夠gou發fa揮hui其qi能neng量liang密mi度du高gao
、安全性高等一係列優點

，走入人們的生活。