全固態(tài)電池的發(fā)展現狀

固態(tài)電池公司在國內外如雨后春筍紛紛涌現，多家世界著(zhù)名汽車(chē)企業(yè)2017年相繼宣布，2020~2025 年全固態(tài)鋰電池將量產(chǎn)上車(chē)。許多研究者和企業(yè)認為，相對于鋰硫、鋰空、鋁、鎂電池以及并不存在的石墨烯電池，全固態(tài)金屬鋰電池是最具潛力的替代現有高能量密度鋰離子電池的候選技術(shù)，其能量密度有望是現有鋰離子電池的2～5倍，循環(huán)性和服役壽命更長(cháng)，倍率性能更高，并可能從本質(zhì)上解決現有液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池的安全性問(wèn)題。

自從1991年SONY 公司率先實(shí)現鋰離子電池商業(yè)化后，鋰離子電池應用領(lǐng)域逐漸擴大，且性能不斷提升。針對消費電子類(lèi)應用的電芯體積能量密度達到了730 W·h/L，近期將朝著(zhù)750～800 W·h/L 發(fā)展，相應的質(zhì)量能量密度為250～300 W·h/kg， 循環(huán)性在500～1000次。動(dòng)力電池質(zhì)量能量密度達到了240 W·h/kg，體積能量密度達到了520～550 W·h/L，近期將朝著(zhù)600～700 W·h/L 發(fā)展，質(zhì)量能量密度朝著(zhù)300 W·h/kg 發(fā)展，循環(huán)性達到2000 次以上。儲能電池循環(huán)壽命達到了7000～10000 次，目前進(jìn)一步朝著(zhù)12000～15000 次發(fā)展。

液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池7大短板

（1）    SEI 膜持續生長(cháng)

由于SEI 膜生長(cháng)的不致密且正負極材料在循環(huán)過(guò)程中存在較大的體積膨脹收縮，SEI膜部分成分可以溶解在電解液里，導致正負極表面的SEI膜持續生長(cháng)，引起活性鋰的減少，電解液持續耗盡，內阻、內壓不斷提高，電極體積膨脹。

（2）過(guò)渡金屬溶解

對于層狀及尖晶石結構氧化物正極材料來(lái)說(shuō)，正極在充電態(tài)下處于高氧化態(tài)，容易發(fā)生還原相變，骨架中的過(guò)渡金屬離子與電解質(zhì)中的溶劑相互作用后析出到電解液，并擴散到負極，催化SEI膜進(jìn)一步生長(cháng)，同時(shí)正極材料表面結構被破壞，內阻增加，可逆容量損失。由于過(guò)渡金屬催化SEI膜生長(cháng)的作用，電池中對所有材料的游離磁性金屬的要求達到了幾十個(gè)ppb（1ppb=1× 109）級以下，這也導致了電池材料成本的提高。

（3）正極材料析氧

對于高容量的層狀氧化物，在充電至較高電壓時(shí)，正極晶格中的氧容易失去電子，以游離氧的形式從晶格析出，并與電解液發(fā)生氧化反應，導致熱失控,正極材料結構也逐漸破壞。

（4） 電解液氧化

為了提高正極材料容量，需要充電至高電壓以便脫出更多的鋰，目前針對鈷酸鋰的電解質(zhì)溶液可以充電到4.45 V，三元材料可以充電到4.35 V，繼續充到更高電壓，電解質(zhì)會(huì )氧化分解，正極表面也會(huì )發(fā)生不可逆相變。

（5）析鋰

由于嵌入負極材料內部動(dòng)力學(xué)較慢的原因，在低溫過(guò)充或大電流充電下，金屬鋰直接析出在負極表面，可能導致鋰枝晶，造成微短路；高活性的金屬鋰與液體電解質(zhì)直接發(fā)生還原反應， 損失活性鋰，增加內阻。

（6）高溫失效

滿(mǎn)充電態(tài)時(shí)負極處于還原態(tài)， 正極處于高氧化態(tài)，在高溫下，SEI膜的部分成分溶解度加大，導致高活性的正負極材料與電解液發(fā)生反應；同時(shí)鋰鹽在高溫下也會(huì )自發(fā)分解，并催化電解液反應；這些反應有可能導致熱失控。高溫可以來(lái)自外部原因，也可以來(lái)自?xún)炔康亩搪?、電化學(xué)與化學(xué)放熱反應、大電流焦耳熱。

（7）體積膨脹

在采用高容量的硅負極后，或者高溫脹氣、長(cháng)時(shí)間循環(huán)后，由于電解液的持續分解，SEI 生長(cháng)和反應產(chǎn)氣以及負極本身的體積膨脹收縮，軟包電芯的體積膨脹超過(guò)應用要求的10%以?xún)取?/p>

由于液態(tài)電解質(zhì)電池的諸多缺陷，發(fā)展理論上不易燃燒，基于固態(tài)電解質(zhì)的電池，就成為重要的研究方向，并期望固態(tài)鋰電池，能解決上述1～6 所列缺點(diǎn)。

固態(tài)鋰電池中國SCI發(fā)文第一、日本專(zhuān)利居首！

通過(guò)Web of Science 數據庫檢索得知，2017年，關(guān)于固態(tài)鋰電池分別有1198篇文獻與117篇專(zhuān)利。其中1096篇文獻集中在金屬鋰負極、固態(tài)電解質(zhì)以及固態(tài)電解質(zhì)與正負極界面等基礎問(wèn)題研究，共有102篇文獻報道了固態(tài)鋰電池的組裝及相關(guān)測試結果，以硫系和氧化物電解質(zhì)的固態(tài)鋰電池居多，見(jiàn)下圖。

圖1.（a）2017年全世界發(fā)表的固體鋰電池文章及專(zhuān)利統計；（b）涉及到固態(tài)鋰電池組裝的文章

從下圖可以看出，在固體鋰電池方面中國發(fā)表的文章數量占據第一位，國際發(fā)明專(zhuān)利方面日本占據一半以上，其中豐田以26 篇占據了第一位。這表明了日本對于固態(tài)鋰電池研發(fā)方面的重視。

圖2. 2017 年不同國家發(fā)表的固體鋰電池文章及專(zhuān)利的數據統計

全固態(tài)鋰電池能量密度是鋰離子電池的2～5 倍，靠譜嗎？

這個(gè)結論是否成立，我們對此進(jìn)行了初步計算。 下圖展示了能量密度達到297 W·h/kg 的鋰離子電池軟包電芯的各物質(zhì)占比，液態(tài)電解質(zhì)總共占比16%（質(zhì)量分數）。

圖3. 液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池軟包電芯組成的質(zhì)量比

注：該電芯為11.4 A·h，質(zhì)量能量密度為297 W·h/kg，體積能量密度為 616 W·h/L，正極為鎳鈷鋁（NCA），壓實(shí)密度為3.5 g/cm3，負極為碳包 覆氧化亞硅，壓實(shí)密度為1.45 g/cm3。

假設同體積的液態(tài)電解質(zhì)能夠被固態(tài)電解質(zhì)取代，下圖展示了相應電芯的能量密度，可以看出，除了PEO-LiTFSI電解質(zhì)，采用其余無(wú)機電解質(zhì)的電池電芯能量密度均顯著(zhù)低于液態(tài)電解質(zhì)電芯。而 PEO-LiTFSI 由于氧化電位限制，目前只能與磷酸鐵鋰正極匹配。在循環(huán)性有較高要求的器件中，難以與鈷酸鋰、三元正極材料等充電電壓高于4.0 V 的正極材料相匹配，能量密度達不到按照NCA正極計算的結果。

圖4. 固態(tài)電解質(zhì)的密度及將同體積的液態(tài)電解質(zhì)置換為不同的固態(tài)電解質(zhì)的11.4 A·h 軟包電芯的能量密度

圖表中的縮寫(xiě)意義：LLZO—鋰鑭鋯氧；LATP—磷酸鈦鋁鋰；LAGP—磷酸鍺鋁鋰；LLTO—鋰鑭鈦氧。鋰離子電池的液態(tài)電解質(zhì)密度為1.1 g/cm3。

圖3 軟包電芯中，正極孔隙率為27%，負極孔隙率為31%，隔膜孔隙率為40%。正極中，液態(tài)電解質(zhì)占滿(mǎn)了所有孔隙，液態(tài)電解質(zhì)與正極活性物質(zhì)加液態(tài)電解質(zhì)的總質(zhì)量比為7.8%。在2017 年發(fā)表的全固態(tài)電解質(zhì)電池的文章中，固態(tài)電解質(zhì)材料與固態(tài)電解質(zhì)加正極活性物質(zhì)總質(zhì)量的比例的文章數見(jiàn)圖5，可見(jiàn)多數研究中固體電解質(zhì)的質(zhì)量占比高于10%。這是由于固態(tài)電解質(zhì)材料多以粉體顆?；虮∧さ男问酱嬖谟谡龢O中，而且具備不可壓縮性，固態(tài)電解質(zhì)實(shí)際上會(huì )在正極中占據更多的體積，這樣會(huì )進(jìn)一步降低全固態(tài)鋰電池電芯的質(zhì)量及體積能量密度。

圖5. 2017 年發(fā)表的全固態(tài)鋰電池中固態(tài)電解質(zhì)與正極活 性材料加固態(tài)電解質(zhì)材料的質(zhì)量占比的文章數量統計

由圖4可以明確得出，對于同樣的正負極活性材料，由于固態(tài)電解質(zhì)的真實(shí)密度顯著(zhù)高于液態(tài)電解質(zhì)，為了獲得較低的接觸電阻，固態(tài)電解質(zhì)體積占比一般會(huì )顯著(zhù)高于液態(tài)電解質(zhì)電池，因此全固態(tài)電池的能量密度必然低于液態(tài)電解質(zhì)電池，而不是如新聞中宣稱(chēng)的會(huì )數倍于鋰離子電池。

當然在液態(tài)電解質(zhì)電芯中，并非所有液態(tài)電解質(zhì)占據的體積都參與了有效的離子輸運。理論上，如果能夠把高離子電導率的固態(tài)電解質(zhì)以超薄薄膜的形式生長(cháng)在活性顆粒的表面，固態(tài)電解質(zhì)在電芯中的體積占比也有可能低于液態(tài)電解質(zhì)電芯中的占比，這需要開(kāi)發(fā)新的材料和新的制造工藝，并深入研究離子的輸運通道和輸運特性，以判斷是否能滿(mǎn)足應用要求，目前還沒(méi)有相關(guān)報道。

液態(tài)電解質(zhì)中，負極如果使用金屬鋰，存在鋰枝晶穿刺隔膜，高溫下與液態(tài)電解質(zhì)發(fā)生持續副反應、鋰的生長(cháng)和析出導致的界面結構不穩定等問(wèn)題，因此金屬鋰負極實(shí)際上還無(wú)法在液態(tài)電解質(zhì)電池中使用，那么問(wèn)題來(lái)了，可充金屬鋰負極路在何方？

全固態(tài)金屬鋰電池實(shí)現商業(yè)化的，其實(shí)只有一款！

采用固態(tài)電解質(zhì)，有可能部分解決這些問(wèn)題。例如，采用PEO-LITFSI的軟包電芯，直接使用金屬鋰箔作為負極（實(shí)際上該電池正極也提供鋰源），采用磷酸鐵鋰正極，能量密度可以達到190～220 W·h/kg，高于目前液態(tài)電解質(zhì)磷酸鐵鋰的鋰離子電池150～180 W·h/kg的水平。但目前也只有這一款全固態(tài)金屬鋰電池初步實(shí)現了商業(yè)化，該電池中金屬鋰的可逆面容量并不高，且鋰是富余的，此外該電池中金屬鋰有效電化學(xué)反應面積小，電池倍率性不高。對于更高能量密度的金屬鋰電池，面容量達到3 mA·h/cm2以上，獲得較好的循環(huán)性則非常困難。

我們初步計算了負極采用金屬鋰的全固態(tài)鋰電池電芯的能量密度。計算中采用硫化物固態(tài)電解質(zhì)，負極用純鋰，不考慮循環(huán)性、安全性等其它性能要求對電極及電芯設計的影響，電芯的各部分質(zhì)量比按照圖6計算。

圖6. 10 A·h 級硫化物基全固態(tài)金屬鋰電芯的質(zhì)量占比

硫化物電解質(zhì)密度為1.98 g/cm3，采用NCA正極材料，能夠發(fā)揮出的可逆放電容量為210 mA·h/g，首周效率為90%，壓實(shí)密度3.7g/cm3，平均電壓3.8 V，NCA正極，金屬鋰負極的電池能量密度計算結果參見(jiàn)圖7。

圖7 采用了液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池和采用了硫化物電解 質(zhì)的金屬鋰電池10 A·h 級電芯的質(zhì)量能量密度和體積能量 密度計算結果。

（鋰離子電池中，負極為石墨，按照圖3 設 計。計算中假設：① 正極材料能夠達到與目前液態(tài)電解質(zhì) 電池中同樣的壓實(shí)密度，粉末電極中的空隙全部由固態(tài)電解 質(zhì)填滿(mǎn)；

② 金屬鋰電池中，固態(tài)電解質(zhì)膜厚度10 nm，金 屬鋰厚度10 nm，銅箔7 nm，鋁箔10 nm。由于不同正極 材料的電壓、首效、壓實(shí)、容量區別很大，因此各部分占比 會(huì )有區別，在這里不一一贅述。）

圖7 的計算結果表明，

1） 鈷酸鋰如果充電到4.6 V，可逆容量達到220 mA·h/g，相應鋰電池的體積能量密度可以超過(guò)1900 W·h/L，質(zhì)量能量密度達到 550 W·h/kg；

2） 可逆容量達到300 mA·h/g 的富鋰錳基鋰電池的體積能量密度也可以超過(guò)1850 W·h/L，質(zhì)量能量密度甚至高于600 W·h/kg；

3） NCM811、 NCA、4.4 V 以上鈷酸鋰質(zhì)量能量密度均有可能超過(guò)400 W·h/kg。

目前由于金屬鋰的體積變化、電流密度、低熔點(diǎn)問(wèn)題，即便是采用全固態(tài)電解質(zhì)，預期也很難形成具有競爭力的高能量密度且綜合性能滿(mǎn)足實(shí)際應用要求的產(chǎn)品?？紤]到預鋰化技術(shù)的成功經(jīng)驗，采用復合結構的含鋰負極材料或許最終更容易實(shí)用化。因此，從綜合技術(shù)指標考慮，由于需要在負極側引入低容量或無(wú)容量的金屬鋰的載體，圖7計算的電芯的能量密度會(huì )相應的降低。

全固態(tài)電池電芯能量密度有可能略高于液態(tài)電解質(zhì)電池系統

如果全固態(tài)電池電芯能夠研制成功，由于其高溫安全性和熱失控行為可能會(huì )有改善，從而簡(jiǎn)化或者省去散熱系統，優(yōu)化了熱管理系統；也可以采用內串式設計，進(jìn)一步節省了集流體所占的重量，相對于同樣能量密度的液態(tài)電解質(zhì)電芯，系統的能量密度會(huì )更高，全固態(tài)電解質(zhì)電芯到系統的能量密度的下降比例應該會(huì )更低。

因此，從電池系統的角度考慮，對于同樣正負極材料的體系，全固態(tài)電池系統的能量密度有可能略高于液態(tài)電解質(zhì)電池系統的能量密度。

全固態(tài)鋰電池安全性好？但相關(guān)研究并不多！

發(fā)展全固態(tài)鋰電池最重要的推動(dòng)力之一是安全性。電池安全性對于所有應用領(lǐng)域的重要性都排在第一位。經(jīng)過(guò)27 年的發(fā)展，液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池電芯的安全性已經(jīng)得到了顯著(zhù)提高，提出并發(fā)展了多種策略，參見(jiàn)圖8。

圖8 提高液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池電芯安全性的策略

電池安全性的核心問(wèn)題是防止熱失控和熱擴散。熱失控的條件是產(chǎn)熱速率大于散熱速率，同時(shí)電芯中的物質(zhì)在高溫下發(fā)生一系列熱失控反應。因此，如果電芯能夠在高溫下工作，或者說(shuō)發(fā)生熱失控的起始溫度顯著(zhù)高于電芯的正常工作溫度，則電芯的安全性在過(guò)熱、大電流、內短路方面應該會(huì )大大改善。對于針刺、擠壓類(lèi)的安全性要求，需要電芯在任一充放電深度（SOC），全壽命周期下都不會(huì )因為內短路和遇到空氣中的氧、水、氮氣而發(fā)生劇烈的氧化反應或其它放熱的化學(xué)及電化學(xué)反應。根據目前的研究報道，硫化物、聚合物的化學(xué)及電化 學(xué)穩定性還需要進(jìn)一步提高。

事實(shí)上，相對于液態(tài)電解質(zhì)電芯，尚未有報道顯示固態(tài)電解質(zhì)全固態(tài)鋰電池電芯的綜合電化學(xué)性能超過(guò)液態(tài)，目前的研究重點(diǎn)還是解決循環(huán)性、倍率特性，各類(lèi)全固態(tài)鋰電池的熱失控、熱擴散行為的測試數據還非常少。提到了固態(tài)電池的安全性的研究工作非常少，但其中多數的安全測試均為用火焰灼燒電解質(zhì)或研究加熱條件下材料的微觀(guān)結構變化或強化金屬鋰與固態(tài)電解質(zhì)的界面，并未對固態(tài)電池進(jìn)行整體的安全性測試。其中ZAGHIB等的文章分析了聚合物電解質(zhì)與液態(tài)電解質(zhì)的熱失控與自加熱速率對比，日本豐田公司中央研究院利用DSC研究了鈮摻雜鋰鑭鋯氧（LLZNO）全固態(tài)鋰離子電池的產(chǎn)熱行為，最后得出全固態(tài)鋰離子電池能夠提高安全性（產(chǎn)熱量降低到液態(tài)的30%）但并非絕對安全的結論。

顯然，全固態(tài)鋰離子電池是否真的解決了鋰離子電池的本質(zhì)安全性還有待更廣泛、深入的研究和數據積累。目前下結論認為在全壽命周期中全固態(tài)鋰離子電池以及全固態(tài)金屬鋰電池安全性會(huì )顯著(zhù)優(yōu)于經(jīng)過(guò)優(yōu)化的液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電芯為時(shí)尚早，而且基于不同固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池可能在安全性方面也會(huì )有顯著(zhù)差異，需要系統研究。

如果全固態(tài)電池的高溫熱失控和高溫循環(huán)特性明顯優(yōu)于液態(tài)電解質(zhì)的電芯，則在模塊和系統層面，通過(guò)電源管理、熱管理系統，還可以進(jìn)一步防止電芯熱失控和熱擴散，相對于液態(tài)電解質(zhì)電芯，絕熱防護材料可以更好的應用在模塊和系統中，而不是像目前這樣，兼顧散熱和絕熱。

另一個(gè)不能忽略的問(wèn)題，全固態(tài)鋰電池的動(dòng)力學(xué)特性

動(dòng)力學(xué)方面，液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池中電極的實(shí)際電化學(xué)反應面積是幾何面積的幾十到幾百倍， 液態(tài)電解質(zhì)的離子電導率較高，接觸電阻相對較低，使得鋰離子電池電芯的內阻在10～15 mΩ/A·h，這樣在大電流工作時(shí)，電芯發(fā)熱較低。電芯內阻主要包括負極、固態(tài)電解質(zhì)膜、正極，一般以面電阻來(lái)衡量。提高離子電導率，降低膜片厚度是降低各部分面電阻的有效途徑。目前，全固態(tài)鋰電池的各部分室溫面電阻還不能降低到10 mΩ/cm2的水平。內阻太高，導致電芯快充時(shí)發(fā)熱，這對于沒(méi)有冷卻系統，但工作溫度要求不能太高的應用領(lǐng)域，例如手 機、平板電腦等消費電子是不可接受的。

全固態(tài)電解質(zhì)電芯最具挑戰的是正負極充放電過(guò)程中，顆粒發(fā)生體積膨脹收縮，固態(tài)電解質(zhì)相與正負極活性物質(zhì)的顆粒之間物理接觸可能會(huì )變差，目前可能的解決策略參見(jiàn)圖9。

圖9 解決全固態(tài)鋰電池中固態(tài)電解質(zhì)相與正負極活性顆粒之間物理接觸的策略

負極如果采用金屬鋰或含有金屬鋰的復合材料，面臨的另一大挑戰是在大電流密度下，金屬鋰優(yōu)先在界面析出，如果析出的鋰占滿(mǎn)了界面，會(huì )逐漸降低電化學(xué)反應面積。發(fā)展動(dòng)力學(xué)優(yōu)異，在全SOC下，鋰沉積位點(diǎn)在電極內部而不是主要在界面的材料和電極設計是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。從目前的研究進(jìn)展看，全固態(tài)鋰電池的發(fā)展還需要多種綜合解決方案來(lái)提高各部分的動(dòng)力學(xué)特性。

計算表明，同樣正負極材料的電芯，全固態(tài)電池能量密度顯著(zhù)低于液態(tài)電解質(zhì)電芯。電芯中負極只有采用金屬鋰，電芯的能量密度才能顯著(zhù)高于負極為石墨或硅的鋰離子電池。目前鋰離子電池電芯的能量密度已經(jīng)達到了300 W·h/kg、730 W·h/L 的水平，如果能量密度高于2 倍，則電芯能量密度需要達到600 W·h/kg 和1460 W·h/L，這雖然有可能，但遠遠超過(guò)了現有技術(shù)的水平，更不用說(shuō)5倍了。 更何況單純強調電芯的能量密度并沒(méi)有實(shí)際意義，實(shí)際應用需要同時(shí)滿(mǎn)足8～20項以上的技術(shù)參數要求，在這一前提下討論電芯能量密度才更有實(shí)際意義。

即便金屬鋰電池的能量密度按照計算的確可以顯著(zhù)高于鋰離子電池，但金屬鋰負極的循環(huán)性、安全性、倍率特性目前還遠遠不能滿(mǎn)足應用需求。針對動(dòng)力、儲能應用的大容量全固態(tài)鋰電池（10 A·h以上），目前尚未有任何一家企業(yè)報道過(guò)系統的電化學(xué)數據和安全性數據，熱失控和熱擴散行為研究的很少，更不用說(shuō)全壽命周期的安全性行為了。

參考文獻：李泓. 全固態(tài)鋰電池: 夢(mèng)想照進(jìn)現實(shí)[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 7(2): 188-193.