中國粉體網訊 固態電池在多重資本的加持下，異常火熱，各種消息層出不窮。不過，拋開流量光環，固態電池的發展需要以更穩重的姿態，腳踏實地，匍匐前行，畢竟還有很多現實問題并沒有真正解決。
鋰離子電池體系的內在矛盾：高能量密度與高安全性難以兼容
隨著新能源市場不斷壯大，尤其是交通領域的電動化浪潮，使得應用端對二次電池的能量密度、循環性能及安全性能等提出了更高的要求。
目前，150Wh/kg左右的商用鋰離子電池大多以磷酸鐵鋰和石墨作為正、負極的活性物質。為了提高電池能量密度，可采用理論容量更高的三元正極材料。但其熱分解溫度遠低于磷酸鐵鋰，且熱分解所產生的氧氣會與易燃的有機電解液發生劇烈反應，放出大量熱量，引發安全事故。因此，在短暫的三元鋰離子電池的應用熱潮之后，近期電動汽車企業的產品設計和國家政策導向均呈現明顯的回歸磷酸鐵鋰之勢。在負極側，鋰電池技術的發展也曾經歷相似的妥協式回歸。金屬鋰負極的理論比容量為3861mAh/g，是目前采用的石墨負極理論比容量的十倍以上，且電極電勢低，是構筑高能量密度鋰電池的“最佳選擇”。經過嘗試之后，人們發現金屬鋰負極存在嚴重的安全隱患，最終擱置了它的應用，主要是因為極度活潑的鋰金屬化學穩定性差，且在循環過程中鋰金屬不均勻沉積和剝離可能形成鋰枝晶刺穿隔膜，造成電池短路，從而引起火災甚至爆炸。1991年索尼公司以容量更低但安全性顯著提高的石墨為負極制備了鋰離子電池。該體系在三十多年內不斷改進，但石墨負極一直沿用至今。
因此，現有鋰離子電池體系難以解決高能量密度與高安全隱患的內在矛盾。亟需構筑變革性電池體系以滿足新興應用更為嚴苛的性能需求。全固態電池采用不可燃的固態電解質取代易燃、易爆的有機電解液，有望在高能量密度的條件下實現高安全和長循環。高機械強度、高電化學穩定性、高安全性的固態電解質為高比容三元正極及鋰金屬負極的應用奠定了基礎；但也從根本上改變了電池體系中的物質輸運、界面電化學、應力演化等物理、化學與力學過程。所以，固態電池也面臨不同于傳統鋰離子電池的全新挑戰。
從長遠來看，固態電池的道路一片光明，但是回到當下，固態電池的道路“荊棘滿布”。
趨勢與未來：一旦突破障礙，將會顛覆傳統鋰電池產業鏈
固態電池是有望破解傳統鋰離子電池能量密度和安全性“魔咒”的新技術。固態電池最大的特點在于采用固體電解質替代傳統電解液體系和隔膜，能夠顯著提升電池安全性、能量密度和使用壽命，這也使得固態電池成為全球產業鏈相關企業重點布局的方向之一，多個國家將其列為重點發展產業并明確了發展規劃和目標。
固態電池技術一旦突破產業化障礙，將會顛覆傳統鋰離子電池產業，可能會極大沖擊傳統電解液和隔膜產業鏈，進一步對正負極材料及其上下游產業鏈產生影響。
傳統鋰離子電池與全固態電池結構對比
固態電池的未來充滿了想象，而且在當下多種應用場景對高性能電池存在普遍渴望的背景下，固態電池技術天生就自帶流量，隨便一個消息都可能沖上熱搜。鋪天蓋地的消息，會營造一種虛幻的假象：固態電池時代是不是真的要來了？
回到現實之中，固態電池發展面臨的一些科學問題依舊沒有被完全解答！
當下的現狀：全固態電池面臨三大問題，我國仍有機會
盡管經過數十年的發展，固態電池的一些關鍵科學問題、部分核心材料和技術依然尚未取得突破，這制約了其規模化量產和應用，主要難題和挑戰包括：電解質室溫離子電導率過低；電解質與電極材料不匹配，以及電解質/電極界面阻抗過高；適應規模化生產的工藝和裝備尚不具備條件；與之匹配的電池管理系統解決方案尚不成熟等等。
有學者將全固態電池面臨的問題凝煉為：固態電解質中的離子輸運機制、全固態電池中的鋰枝晶生長機制以及多場耦合下的失效、失控機制。總結出全固態電池的發展亟需解決三個核心科學問題：第一，固態電解質作為全固態電池的核心材料，研究其體相與表界面的鋰離子輸運機制至關重要。這是進一步提升離子導電率、創制新型固態電解質材料、改善全固態電池性能、推動固態離子學科發展的科學基礎。第二，高機械強度的固態電解質仍然難以抑制鋰金屬枝晶的生長，造成全固態電池的快速容量衰減與安全隱患。不同于傳統鋰離子電池中的(脫)溶劑化與離子遷移過程，全固態體系中鋰離子如何跨越固固界面發生電化學反應，又如何在固態電解質內部形核生長并刺穿固態電解質？厘清鋰金屬在固-固界面的界面電化學過程及其枝晶生長過程是實現高比容鋰金屬負極長效穩定循環的先決條件。第三，全固態電池中的離子輸運、界面電化學等物理化學過程具有鮮明的多場耦合特征。因此，全面考量多場耦合效應，建立真實工況下全固態電池復雜體系的物理化學模型，揭示其多場耦合下的失效、失控機制是優化全固態電池電化學性能的重要科學支撐。
從當下的參與主體來看，縱觀國內外發展態勢，美國在基礎研究方面仍然處于領先地位，且多家初創企業擁有核心專利技術，但產業化方面仍存在比較大的挑戰。日韓產學研結合緊密，研發起步早，在全固態電池特別是關鍵材料上積累了大量的基礎、核心專利，引領了全固態電池技術的發展。我國是電池生產第一大國，且擁有完備的產業鏈，但在理論機制及關鍵材料方面的原始創新上仍有發展空間。
路在何方？
固態電池技術未來大規模生產及商業應用，路在何方？中國科學院物理研究所李泓研究員曾提出8條發展策略，值得大家思考和借鑒。
1.在電芯中采用不止一種離子導體。不同于已經商用的液態電池，固態電池在正極、隔膜和負極里的電解質可以不同，而電極中的電解質相可以是混合離子導體，不一定必須是純離子導體。
2.在界面形成離子傳輸路徑。考慮到連續的體相傳輸比較困難，多孔粉末電極包含較高的界面/體積比，界面的離子傳輸是混合固液和全固態電池中必不可少的。一般期望固態電解質超過1mS/cm的體相離子電導率，但這不應該是篩選固體電解質的唯一要求，設計同時擁有高體相和界面相離子傳輸的復合電極是一個實際的考慮。
3.為了避免循環過程中正負極膨脹和收縮過程中的界面離子接觸逐漸變差的問題，在電極粒子表面生成具有彈性的離子導體界面成為合理的選擇。可采用的策略包括原位固態化技術或者使用熔融鹽，或者混合聚合物電解質。
4.使用離子或者混合離子導體來包覆正極顆粒。考慮到聚合物和硫化物可能在4.2VvsLi+/Li電壓以上氧化，需要阻止電化學氧化反應及抑制低穩定電極表面釋放氧氣，有效的表面包覆是重要的策略。
5.研發新的無機-聚合物復合離子導體膜作為隔膜。為了大規模生產和應用，應當同時考慮隔膜的機械強度、離子電導率、厚度控制、熱穩定性、水分控制、電化學穩定性、抑制鋰枝晶和內短路。因此，單純的無機粒子膜或純聚合物膜很難同時滿足以上所有要求。在多孔聚合物基體上通過原位固態化形成具有高穩定性的離子導體膜更有實用性，而隔膜如果能同時引導負極與隔膜之間的界面沉積，隔膜綜合性能將進一步得到提升。
6.控制膨脹。在高能量密度固態電池中，顆粒、電極和電池會發生顯著的體積膨脹。因此，穩定的電極主體結構、預鋰化、高性能粘結劑和多孔電極結構等控制體積膨脹的技術變得尤為重要。
7.發展新工藝技術。干法電極、厚電極、預鋰化、界面熱復合技術、固態化技術和多層包覆技術是發展大規模混合固液電池和全固態電池重要的技術。
8.引入固體電解質來增強安全性。在電池層面通過多種方法使用固體電解質可以顯著提高電池安全性。當然，混合固液和全固態電池的安全性需要系統地評估。
小結
固態電池作為一種全新的電池技術，優勢十分明顯，前景也十分廣闊。從當下來看，拋開流量光環，固態電池技術仍然在路上，真正的產業化應用任重而道遠。道阻且長，行則將至。行而不輟，未來可期。
參考來源：
周靜穎，等.全固態電池的研究進展與挑戰———以表征技術和理論機制的突破推動全固態電池的原始創新
王雷.下一代動力電池技術：固態鋰離子電池技術前景幾何？
李泓.固態電池，路在何方？
（中國粉體網編輯整理/文正）
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