文章從車(chē)用電池的實(shí)際需求出發(fā)，分析指出新型固態(tài)電池因具有高安全、高能量密度和低成本等顯著優(yōu)良特性，成為業(yè)界公認(rèn)的有望用于下一代電動(dòng)汽車(chē)的主流技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)超高安全性和長(zhǎng)續(xù)駛里程。

文章從技術(shù)角度重點(diǎn)分析了固態(tài)電池的核心部件——固態(tài)電解質(zhì)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分別從固態(tài)電解質(zhì)的組成、基本特性、技術(shù)現(xiàn)狀、存在問(wèn)題和改性策略等方面進(jìn)行具體論述，總結(jié)了不同類(lèi)型電解質(zhì)在固態(tài)電池的應(yīng)用潛力，并從產(chǎn)業(yè)應(yīng)用角度對(duì)固態(tài)電池的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向進(jìn)行展望。

0引言

目前，大力發(fā)展新能源汽車(chē)已成為各國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、應(yīng)對(duì)氣候變化的共識(shí)，很多國(guó)家更是將發(fā)展新能源汽車(chē)上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)的各大汽車(chē)集團(tuán)均推出各自的發(fā)展計(jì)劃，如大眾提出「2025戰(zhàn)略」，預(yù)計(jì)到2025年推出超過(guò)30款的電動(dòng)汽車(chē)，銷(xiāo)量力爭(zhēng)達(dá)到300萬(wàn)輛。尤其是2016年以來(lái)，重要汽車(chē)強(qiáng)國(guó)更是紛紛加大新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的支持力度：

德國(guó)政府和工業(yè)界供應(yīng)了共計(jì)12億歐元的補(bǔ)貼資金，并執(zhí)行特色購(gòu)置補(bǔ)貼策略；

美國(guó)政府供應(yīng)了45億美元的貸款擔(dān)保，大力推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并投資開(kāi)發(fā)車(chē)載高能量密度電池。

在此背景下，截止2016年全球新能源汽車(chē)?yán)塾?jì)銷(xiāo)售突破200萬(wàn)量，其中我國(guó)占比50%以上，為節(jié)能減排和全球氣候變化作出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。

然而，目前電動(dòng)汽車(chē)的規(guī)?；瘧?yīng)用仍受制于續(xù)駛里程、安全性、成本等多項(xiàng)制約，例如針對(duì)車(chē)輛的續(xù)駛里程，若單純新增電池?cái)?shù)量，會(huì)造成整車(chē)增重，進(jìn)而造成百公里電耗的明顯新增，隨之而來(lái)的是全生命周期的碳排放提高，整車(chē)售價(jià)也會(huì)水漲船高，因此根本解決策略仍需大幅提升電池的各方面性能。以美國(guó)特斯拉推出的ModleS電動(dòng)汽車(chē)為例，為了解決「里程焦慮」問(wèn)題，采用了近7000個(gè)3.1Ah的18650型鋰離子電池，使其續(xù)航里程達(dá)到400km以上，但是其電池重量達(dá)到500kg，汽車(chē)的售價(jià)高達(dá)7.9萬(wàn)美元，一定程度上抑制了其在市場(chǎng)中推廣。

我國(guó)以純電驅(qū)動(dòng)作為技術(shù)路線，車(chē)輛所用電池的電量需求更高，對(duì)電池的能量密度和安全性提出了更為嚴(yán)苛的要求，因此迫切要發(fā)展高比能、高安全性的動(dòng)力鋰電池，同時(shí)兼顧功率特性、循環(huán)壽命和成本等其他性能。

每一次電池性能的顯著提升，本質(zhì)上都是電池材料體系的重大變革。從第一代的鎳氫電池和錳酸鋰離子電池，第二代的磷酸鐵鋰離子電池，到目前廣為采用且預(yù)計(jì)持續(xù)到2020年左右的第三代三元電池，其能量密度和成本分別呈現(xiàn)出階梯式上升和下降的明顯趨勢(shì)。因此，下一代車(chē)用電池選用何種電池體系，關(guān)于實(shí)現(xiàn)2020~2025年的電池目標(biāo)至關(guān)重要。

在目前各種新型電池體系中，固態(tài)電池采用全新固態(tài)電解質(zhì)取代當(dāng)前有機(jī)電解液和隔膜，具有高安全性、高體積能量密度，同時(shí)與不同新型高比能電極體系（如鋰硫體系、金屬-空氣體系等）具有廣泛適配性則可進(jìn)一步提升其質(zhì)量能量密度，有望成為下一代動(dòng)力鋰電池的終極解決方法，引起日本、美國(guó)、德國(guó)等眾多研究機(jī)構(gòu)、初創(chuàng)公司和部分車(chē)企的廣泛關(guān)注。

1固態(tài)電池概述

傳統(tǒng)鋰離子電池采用有機(jī)液體電解液，在過(guò)度充電、內(nèi)部短路等異常的情況下，電池容易發(fā)熱，造成電解液氣脹、自燃甚至爆炸，存在嚴(yán)重的安全隱患。20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的基于固體電解質(zhì)的全固態(tài)鋰離子電池，由于采用固體電解質(zhì)，不含易燃、易揮發(fā)組分，徹底消除電池因漏液引發(fā)的電池冒煙、起火等安全隱患，被稱(chēng)為最安全電池體系。

關(guān)于能量密度，中、美、日三國(guó)政府希望在2020年開(kāi)發(fā)出400～500Wh/kg的原型器件，2025～2030年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，目前公認(rèn)的最有可能的即為金屬鋰負(fù)極的使用，金屬鋰在傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池中存在枝晶、粉化、SEI（固態(tài)電解質(zhì)界面膜）不穩(wěn)定、表面副反應(yīng)多等諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，而固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰的兼容性使得使用鋰作負(fù)極成為可能，從而顯著實(shí)現(xiàn)能量密度的提升。

表1不同類(lèi)型鋰基電池的特性比較

表1比較了傳統(tǒng)鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池，從中可了解固態(tài)鋰離子電池的基本特性。進(jìn)一步，如表2所示，針對(duì)車(chē)用電池應(yīng)用的期望要求，基于自身特性，固態(tài)電池體系逐一給出可能的解決思路。

表2電池應(yīng)用要求與固態(tài)電池體系解決思路

2固態(tài)電池核心部件——固態(tài)電解質(zhì)研究進(jìn)展

關(guān)于固態(tài)電池，固態(tài)電解質(zhì)是其差別于其他電池體系的核心組成部分，理想的固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)具備：

工作溫度區(qū)間（特別是常溫）保持高的鋰離子電導(dǎo)率；

可忽略或者不存在晶界阻抗；

與電極材料的熱膨脹系數(shù)匹配；

在電池充放電過(guò)程中，對(duì)正負(fù)極電極材料保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性，尤其是金屬鋰或鋰合金負(fù)極；

電化學(xué)寬口寬，分解電壓高（>5.5Vvs.Li/Li+）；

不易吸濕，價(jià)格低廉，制備工藝簡(jiǎn)單；

環(huán)境友好。

以下將從目前重點(diǎn)研究的不同類(lèi)型固態(tài)電解質(zhì)的組成、基本特性、技術(shù)現(xiàn)狀、存在問(wèn)題和改性策略等方面進(jìn)行具體論述。

2.1聚合物固態(tài)電解質(zhì)

聚合物固態(tài)電解質(zhì)是由有機(jī)聚合物和鋰鹽構(gòu)成的一類(lèi)鋰離子導(dǎo)體，具有質(zhì)量輕、易成膜、粘彈性好等特性。應(yīng)用在鋰離子電池中，可獲得在寬工作溫度范圍內(nèi)的高比能量、大功率、長(zhǎng)循環(huán)壽命的電池，并且可將電池制備成各種形狀，充分利用電化學(xué)器件的有效空間。聚合物鋰離子電池在組裝、使用和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，可以承受擠壓、碰撞和電池內(nèi)部的溫度和外形變化。

此外，聚合物電解質(zhì)除了自身傳輸鋰離子的功能，還能充當(dāng)隔膜，隔離正負(fù)電極，在電池充放電過(guò)程中補(bǔ)償電極材料的體積變化，保持電極和電解質(zhì)的緊密接觸。聚合物電解質(zhì)還可在一定程度上抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，降低電解質(zhì)和電極材料之間的反應(yīng)活性，提高電池的安全性。聚合物電解質(zhì)還有利于電池進(jìn)行卷對(duì)卷地大規(guī)模生產(chǎn)，從而有望降低生產(chǎn)成本[1]。目前商業(yè)化的聚合物鋰離子電池已逐漸應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、移動(dòng)充電電源等電子設(shè)備領(lǐng)域。

固態(tài)聚合物電池可近似看作是將鹽直接溶于聚合物中形成的固態(tài)溶液體系，其重要性能由聚合物、鋰鹽和各種添加劑共同決定。關(guān)于鋰鹽的選擇實(shí)際上就是對(duì)陰離子的選擇，在非質(zhì)子、低介電常數(shù)的聚合物溶劑中，陰離子的電荷密度和堿性等性質(zhì)對(duì)聚合物電解質(zhì)的形成起到重要用途。

聚合物電解質(zhì)的形成能力取決于對(duì)陽(yáng)離子的溶劑化用途能和鹽晶格能的相對(duì)大小，晶格能越大，與聚合物形成聚合物電解質(zhì)的能力就越弱。鋰鹽晶格能的上限一般認(rèn)為是850J/mol，不同的鋰鹽，晶格能大小不同，常見(jiàn)鋰鹽晶格能排序[2]：F－＞Cl－＞Br－＞I－＞SCN－＞ClO4－～CF3SO3－＞BF4－～6AsF6－。除了晶格能和陰離子的電荷密度分布以外，鋰鹽的解離常數(shù)也會(huì)出現(xiàn)一定的影響。

pEO是一種典型的高分子電解質(zhì)，它由－CH2CH2O－和－CH2CH2CH2O－單元構(gòu)成，醚氧原子在pEO的最佳分布使得它可與多種鋰鹽形成復(fù)合物，pEO基聚合物電解質(zhì)因而也得到了廣泛的研究和應(yīng)用[3]。關(guān)于無(wú)機(jī)添加物，具有化學(xué)惰性的、高比表面的無(wú)機(jī)填料可以改善聚合物電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性，抑制電極界面上鈍化層的形成，供應(yīng)電解質(zhì)的電導(dǎo)率和陽(yáng)離子遷移數(shù)等，常用的無(wú)機(jī)添加劑有SiO2、Al2O3、MgO、ZrO2、TiO2、LiTaO3、Li3N、LiAlO2等。

目前聚合物電解質(zhì)相比液體電解質(zhì)在安全性上有明顯提升，但是仍需進(jìn)一步提高電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率，維持聚合物的力學(xué)穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性。

2.2無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)

無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)發(fā)揮自己?jiǎn)我浑x子傳導(dǎo)和高穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，用于全固態(tài)鋰離子電池中，具有熱穩(wěn)定性高、不易燃燒爆炸、環(huán)境友好、循環(huán)穩(wěn)定性高、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的關(guān)注，同時(shí)有望應(yīng)用在鋰硫電池、鋰空氣電池等新型鋰離子電池上，是未來(lái)電解質(zhì)發(fā)展的重要方向。

按照物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)（玻璃態(tài)）兩大類(lèi)，每一類(lèi)按照元素組成的不同又可分為氧化物和硫化物。

2.2.1非晶態(tài)（玻璃態(tài)）無(wú)機(jī)電解質(zhì)

玻璃態(tài)無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)具有組份變化寬，離子傳導(dǎo)各向同性，界面阻抗相對(duì)較低，易于加工成膜，在全固態(tài)電池中具有很好的應(yīng)用前景。按照組成可分為氧化物體系玻璃電解質(zhì)和硫化物體系玻璃電解質(zhì)，其中氧化物玻璃電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定好，但是離子電導(dǎo)率比較低，硫化物玻璃電解質(zhì)雖然具有較高的離子電導(dǎo)率，但是電化學(xué)穩(wěn)定性差，制備困難。

氧化物玻璃體系電解質(zhì)是由網(wǎng)絡(luò)形成氧化物（如SiO2、B2O3、p2O5等）和網(wǎng)絡(luò)改性物（如Li2O）組成，網(wǎng)絡(luò)形成氧化物通過(guò)共價(jià)鍵相互連接形成玻璃網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)改性氧化物打破網(wǎng)絡(luò)中的氧橋，使鋰離子在其網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行遷移。提高氧化物玻璃體系電解質(zhì)電導(dǎo)率可通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)：

首先，可適量新增網(wǎng)絡(luò)改性物的含量。關(guān)于通過(guò)適量新增Li2O的含量會(huì)導(dǎo)致氧化物玻璃電解質(zhì)電導(dǎo)率的提高，而Li2O的含量新增到一定程度，則會(huì)導(dǎo)致非氧橋原子數(shù)的新增，非氧橋原子可以捕獲鋰離子，從而降低氧化物玻璃電導(dǎo)率[4]，可使用混合網(wǎng)絡(luò)形成氧化物。采用二元或二元以上的網(wǎng)絡(luò)形成氧化物，會(huì)出現(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)，新增網(wǎng)絡(luò)中的缺陷結(jié)構(gòu)，改善鋰離子傳導(dǎo)通道中的傳輸瓶頸，提升鋰離子傳導(dǎo)。如Li2O－p2O5－B2O3三元體系玻璃，當(dāng)鋰離子濃度為5mol%時(shí)，電導(dǎo)率為9×10^(-5)S/cm。

此外，還可進(jìn)行氮摻雜。在Li2O－p2O5體系中引入氮元素后，可以形成LipON玻璃，在提高材料電導(dǎo)率的同時(shí)，還新增玻璃的硬度、熱穩(wěn)定性以及抗水和鹽溶液的腐蝕能力。

在硫化物玻璃體系電解質(zhì)中，由于硫的原子半徑比氧離子大，可以增大鋰離子傳輸通道，同時(shí)由于非橋接S2－比非橋接O2－的活性高，使得硫化物玻璃電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率比氧化物體系要高，室溫下電導(dǎo)率約為10^(-3)～10^(-4)S/cm[5]。關(guān)于硫化物玻璃電解質(zhì)，Li2S－SiS2、Li2S－p2O5、Li2S－B2O3等體系都是研究比較多的體系，其中Li2S－SiS2的電導(dǎo)率最高，且SiS2的蒸汽壓低，較為優(yōu)化的體系，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，摻入鹵化鋰（LiI、LiCl、LiBr等），可以顯著提高其室溫離子電導(dǎo)率，如LiS－SiS2－p2S5－LiI體系玻璃在大氣壓下和液氮中制備，所得到的室溫電導(dǎo)率達(dá)2×10^(-3)S/cm[5]。

雖然硫化物玻璃電解質(zhì)的電導(dǎo)率高，化學(xué)穩(wěn)定性較好，但是在制備過(guò)程中使用Li2S組份，造價(jià)高昂且需惰性氣氛保護(hù)，設(shè)備要求較高;同時(shí)，該類(lèi)電解質(zhì)高溫下容易分解，對(duì)鋰可能不穩(wěn)定，造成了其合成難度較大，成本高，限制了大規(guī)模的應(yīng)用。

2.2.2玻璃陶瓷無(wú)機(jī)電解質(zhì)

玻璃陶瓷即玻璃微晶，是在玻璃材料中加入成核劑后經(jīng)過(guò)高溫處理制備而成的，它和陶瓷材料及玻璃材料都不相同。玻璃陶瓷中，晶相從玻璃網(wǎng)絡(luò)中析出，導(dǎo)致電導(dǎo)率顯著提高。玻璃陶瓷不僅具備陶瓷材料的化學(xué)穩(wěn)定性的特點(diǎn)，而且繼承了玻璃態(tài)固體電解質(zhì)離子電導(dǎo)率高、界面阻抗小、致密度高的特點(diǎn)。

在氧化物玻璃陶瓷電解質(zhì)中，研究比較多的是具有鈉離子快離子導(dǎo)體NASICON結(jié)構(gòu)鋰離子導(dǎo)體。LiTi2(pO4)3和LiGe2(pO4)3都是具有NASCICON結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，通過(guò)低價(jià)元素（如Al、Ga、In、Cr、La等）置換Ti或者Ge，可在一定的組成范圍內(nèi)形成具有該結(jié)構(gòu)的固溶體，電導(dǎo)率會(huì)提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。Li2O－Al2O3－TiO2－p2O5的玻璃經(jīng)過(guò)熱處理可轉(zhuǎn)變成主晶相為L(zhǎng)i1+xAlxTi2－x(pO4)3的玻璃陶瓷，室溫離子電導(dǎo)率為1.3×10^(-3)S/cm。氧化物玻璃陶瓷電解質(zhì)制備工藝容易實(shí)現(xiàn)，但在化學(xué)穩(wěn)定性和成本上仍需進(jìn)一步提升[6]。

在硫化物玻璃陶瓷電解質(zhì)中，研究比較多的是Li2S－p2S5體系。將Li2S－p2S5基質(zhì)玻璃通過(guò)高溫處理后得到的微晶玻璃陶瓷電解質(zhì)的電導(dǎo)率得到明顯提升，在室溫下即可達(dá)10^(-3)S/cm，而且解決了對(duì)金屬鋰不穩(wěn)定的問(wèn)題。

2.2.3陶瓷固體電解質(zhì)

陶瓷固體電解質(zhì)種類(lèi)繁多，從結(jié)構(gòu)上看，重要包括NASICON結(jié)構(gòu)鋰陶瓷電解質(zhì)，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鋰陶瓷電解質(zhì)，石榴石結(jié)構(gòu)鋰陶瓷電解質(zhì)、LISICON型鋰陶瓷電解質(zhì)、Thio-LISICON型結(jié)構(gòu)鋰陶瓷電解質(zhì)、Li3N型結(jié)構(gòu)鋰陶瓷電解質(zhì)、鋰化BpO4鋰陶瓷電解質(zhì)和以Li4SiO4為母體的鋰陶瓷電解質(zhì)等（見(jiàn)圖1）。

圖1典型晶體型陶瓷電解質(zhì)和玻璃態(tài)鋰離子電解質(zhì)

陶瓷電解質(zhì)的電導(dǎo)率與其晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，影響因素包括傳輸通道、與Li+半徑的匹配性、骨架離子與Li+鍵合強(qiáng)弱、Li+濃度和空位濃度之比，以及陶瓷的致密度等。

（1）NASICON類(lèi)型

圖2Li2Zr(pO4)3的晶體結(jié)構(gòu)示意圖

NASICON類(lèi)型電解質(zhì)源于鈉離子電解質(zhì)NaZr2(pO4)3，其化學(xué)式可表示為A［M2p3O12］（A、M、p分別代表1價(jià)、4價(jià)和5價(jià)的陽(yáng)離子）。如圖2所示，電解質(zhì)中的鋰離子遷移是通過(guò)缺陷躍遷來(lái)完成的，在NASICON結(jié)構(gòu)中，存在兩種躍遷路徑：一種是通過(guò)Li1、Li2位置瓶頸的Li1→Li2躍遷，另一種是通過(guò)Li2、Li2瓶頸的Li2→Li2躍遷，價(jià)鍵研究表明，NASICON結(jié)構(gòu)中兩種鋰離子的遷移路徑均對(duì)離子電導(dǎo)性有貢獻(xiàn)。

（2）鈣鈦礦結(jié)構(gòu)

圖3Li3xLa(2/3-x)TiO3晶體結(jié)構(gòu)示意圖

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)型鋰離子導(dǎo)體基本組份為L(zhǎng)i3xLa(2/3-x)TiO3（0.04＜x＜0.17），是ABO3鈣鈦礦型固溶體，晶體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中陰離子骨架為由TiO6八面體組成，頂點(diǎn)被Li+和La3+所占據(jù)。鈣鈦礦型電解質(zhì)隨著其組份和合成條件的不同，可以有簡(jiǎn)單立方、四方以及正交等多種晶型。

鈣鈦礦型鋰離子導(dǎo)體電導(dǎo)率與微觀結(jié)構(gòu)的空位有序度成反比，立方結(jié)構(gòu)的無(wú)序度最高，最有利于離子導(dǎo)電，電導(dǎo)活化能也低于四方結(jié)構(gòu)，但是只有少量特定組成通過(guò)高溫淬冷才能穩(wěn)定立方相至室溫。

（3）LISICON類(lèi)型和Thio-LISICON類(lèi)型

圖4Li14ZnGe4O16晶體結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)LISICON結(jié)構(gòu)的鋰離子導(dǎo)體，Li14ZnGe4O16是一種典型晶體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，包含一個(gè)堅(jiān)固的三維陰離子骨架[Li11ZnGe4O16]3－，其余3個(gè)Li+處于間隙位置，可遷移導(dǎo)電。骨架離子供應(yīng)可遷移鋰離子的傳輸通道，傳輸瓶頸必須滿(mǎn)足鋰離子遷移所需的幾何條件，研究發(fā)現(xiàn)，LISICONs中間隙鋰離子具有良好的與質(zhì)子交換能力。

Thio－LISICON型電解質(zhì)是在LISICON的骨架中采用鋰離子半徑更大、更易被極化的硫離子取代陽(yáng)離子得到的一類(lèi)系列材料。相比于氧化物L(fēng)ISICON型電解質(zhì)，Thio－LISICON型電解質(zhì)表現(xiàn)出了更優(yōu)異的鋰離子室溫傳導(dǎo)性能，尤其是在Li4pS4和Li4GeS4之間的材料體系。鋰離子的傳導(dǎo)性能由骨架離子的極化率和摻雜取代所出現(xiàn)的間隙－空位所決定，因而硫離子取代后，離子電導(dǎo)率得到了提高。

（4）Garnet型

圖5立方石榴石結(jié)構(gòu)電解質(zhì)LixLa3M2O12晶體結(jié)構(gòu)示意圖

Garnet型鋰離子無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)可用LixLn3M2O12（3＜x≤7．5，M=Te、Nb、Ta、Zr等）表示，具有傳統(tǒng)的石榴石結(jié)構(gòu)，是一種鋰離子填充在石榴石骨架中的氧化物，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

過(guò)量鋰（即LixLn3M2O12中x＞3）填充的石榴石結(jié)構(gòu)氧化物是Garnet型電解質(zhì)研究的重要對(duì)象，其鋰離子呈無(wú)序排布，在四面體格位和面體格位中均為部分占據(jù)，鋰氧四面體和鋰氧八面體相互連接，構(gòu)成了鋰離子的三維傳輸通道。而正是鋰離子在兩種格位中的無(wú)序分布，使該類(lèi)型電導(dǎo)率得到提高，可達(dá)到10^(-3)S/cm，同時(shí)對(duì)金屬鋰具有良好的穩(wěn)定性，使其成為鋰離子固體電解質(zhì)中的有力競(jìng)爭(zhēng)者，獲得研究人員的密切關(guān)注。

（5）陶瓷無(wú)機(jī)電解質(zhì)小結(jié)

陶瓷電解質(zhì)具有很多優(yōu)勢(shì)，如電化學(xué)穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、機(jī)械性能好，但每種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的電解質(zhì)均有其優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用缺陷，總結(jié)如表3所示，仍要各種功能剪裁，提高自身的綜合性能。

表3部分晶體型鋰離子導(dǎo)體在全固態(tài)鋰離子電池應(yīng)用中的限制因素

3固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用展望

目前，全球范圍內(nèi)約有20多家制造公司、初創(chuàng)公司和高校科研院所致力于固態(tài)電池技術(shù)。

圖6固態(tài)電池應(yīng)用案例

高等院校大多數(shù)專(zhuān)注于材料層面的研究，國(guó)外以美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為代表，在國(guó)內(nèi)，中科院2013年設(shè)立固態(tài)先導(dǎo)計(jì)劃，希望5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化;一些研究機(jī)構(gòu)、Start-up和新能源公司在材料研發(fā)與制備方面具備獨(dú)特技術(shù)，電池樣品則以手工/半手工為主，僅少部分實(shí)現(xiàn)示范車(chē)用。大型公司方面，日本以豐田、日立造船和出光興產(chǎn)等為代表，在固態(tài)電池的車(chē)用領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先位置（如圖6所示）。

固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化與電芯的高一致性和規(guī)?；苽涞碾y易程度密切相關(guān)：

就制備工藝而言，鑒于當(dāng)前固態(tài)電解質(zhì)膜的柔韌性不佳，固態(tài)電芯組裝更多偏向疊片而非卷繞工藝，但細(xì)分工藝尚不可知；

就制造裝備而言，盡管固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池存在較大差異，但不存在根本性差別，只是在涂布、封裝等工序上要定制化的設(shè)備，而且制造環(huán)境需在更高要求的干燥間進(jìn)行。

因此，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)從根本上還是取決于材料工藝層面的突破，包括關(guān)鍵材料、極片、正負(fù)極與電解質(zhì)匹配的材料工藝，目前，在界面電阻降低，金屬鋰高容量、高倍率和低體積變化的解決方法，以及兼具離子電導(dǎo)和機(jī)械特性的固態(tài)電解質(zhì)膜的成熟制備技術(shù)等方面尚缺乏有效的解決方法。

因此，高能量密度全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，有望通過(guò)半固態(tài)電池、固態(tài)電池和全固態(tài)電池3個(gè)階段逐步實(shí)現(xiàn)，預(yù)計(jì)耗時(shí)5～10年時(shí)間。

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