固態(tài)電池是個(gè)什么電池？

提到固態(tài)電池，你或許早就聽(tīng)過(guò)它的大名。不少專家和車企紛紛放話，固態(tài)電池將是解決電車現(xiàn)有困境的“金鑰匙”，甚至有可能顛覆整個(gè)電車市場(chǎng)。這不禁讓人好奇，固態(tài)電池究竟是何方神圣？在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們得先來(lái)了解一下什么是液態(tài)鋰電池？

（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

什么是液態(tài)鋰電池？

今天，我們所使用的手機(jī)、筆記本以及大多數(shù)的電動(dòng)車采用的仍然是液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以概括為正極、負(fù)極、隔膜與電解液四個(gè)部分：正極通常由三元材料或磷酸鐵鋰構(gòu)成，負(fù)極多為石墨或摻硅的硅碳材料，隔膜則負(fù)責(zé)把正負(fù)極隔開(kāi)以避免直接接觸短路，同時(shí)允許鋰離子通過(guò)，而電解液則由有機(jī)溶劑與鋰鹽組成，提供鋰離子在電池內(nèi)部移動(dòng)的通道。

液態(tài)鋰電池構(gòu)成示意圖（圖片來(lái)源：[2]）

液態(tài)鋰電池的工作過(guò)程大致是這樣的：充電時(shí)，外部電源把電子推向負(fù)極，鋰離子在電解液中穿過(guò)隔膜，從正極遷移到負(fù)極并嵌入其結(jié)構(gòu)之中；放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極返回正極，電子經(jīng)由外電路輸出能量，從而驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。液態(tài)電解液的優(yōu)勢(shì)在于離子傳導(dǎo)速度快、能充分浸潤(rùn)電極孔隙、工藝成熟且成本被規(guī)模化制造壓低，因此它成為過(guò)去十多年鋰電產(chǎn)業(yè)快速擴(kuò)張的基礎(chǔ)。

液態(tài)鋰電池的瓶頸

那么，液態(tài)鋰電池的發(fā)展又遇到了哪些瓶頸呢？液態(tài)電解液多為可燃有機(jī)溶劑，遇到內(nèi)部短路、過(guò)充、外部擠壓碰撞或散熱失效等極端情況時(shí)，可能觸發(fā)熱失控，進(jìn)而引發(fā)冒煙、起火甚至更嚴(yán)重的后果。與此同時(shí)，為了追求更長(zhǎng)續(xù)航，人們會(huì)提高正極鎳含量、提高負(fù)極硅含量、減少非活性材料占比，讓電芯內(nèi)部更緊湊、更接近材料極限，這會(huì)把安全與壽命管理推到更危險(xiǎn)的境地。

鋰離子電池設(shè)備自燃故障（圖片來(lái)源：[1]）

更重要的是，一些被認(rèn)為能顯著提升能量密度的材料選擇，例如金屬鋰負(fù)極，在液態(tài)體系中還會(huì)遇到鋰枝晶等難題：枝晶像針一樣生長(zhǎng)，可能刺穿隔膜造成短路。這些因素疊加，使得液態(tài)體系在繼續(xù)提升能量密度的路上越來(lái)越難，而固態(tài)電池恰恰被認(rèn)為可能提供另一種更有潛力的選擇。

枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致熱失控示意圖（圖片來(lái)源：[4]）

固態(tài)電池的原理是什么？

固態(tài)電池最本質(zhì)的變化，是用固態(tài)電解質(zhì)取代了傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)。常見(jiàn)的固態(tài)電解質(zhì)包括聚合物、氧化物、硫化物與鹵化物等，它們通常更耐熱、更不易燃。與此同時(shí)，固態(tài)電池也讓電極材料有了更多選擇。在負(fù)極側(cè)，除了常見(jiàn)的石墨，還更有希望使用鋰金屬或含硅比例更高的材料，因?yàn)檫@些材料理論上能裝下更多的電，一旦穩(wěn)定應(yīng)用，能量密度將明顯提升；在正極側(cè)，除了三元、磷酸鐵鋰等成熟材料，業(yè)界也在探索更多新型正極材料，目標(biāo)同樣是提高電池的容量和輸出能力。

液態(tài)鋰電池與固態(tài)電池的原理比較示意圖（圖片來(lái)源：[3]）

在工作原理上，固態(tài)電池的充放電邏輯與傳統(tǒng)鋰電相似。充電時(shí)，外部電源驅(qū)動(dòng)正極中的鋰離子從晶格中脫嵌，鋰離子不再通過(guò)液態(tài)電解液擴(kuò)散，而是穿過(guò)固態(tài)電解質(zhì)遷移到負(fù)極；與此同時(shí)，電子經(jīng)外電路從正極流向負(fù)極以維持電荷平衡，鋰離子在負(fù)極與電子結(jié)合并被儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化；放電時(shí)則相反。固態(tài)電解質(zhì)在其中既要提供高離子電導(dǎo)率以保證充放電性能，又要充當(dāng)隔離層防止正負(fù)極短路。固態(tài)電池憑借較高的機(jī)械強(qiáng)度與穩(wěn)定性在一定程度上能抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，從而提升電池的安全性。

固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

固態(tài)電池最具吸引力的一點(diǎn)是更高的安全邊界。相較于可燃、易揮發(fā)的有機(jī)液態(tài)電解液，許多固態(tài)電解質(zhì)在耐熱性與不可燃性上更具優(yōu)勢(shì)，理論上可降低熱失控的觸發(fā)概率。與此同時(shí)，由于固態(tài)電池能適配金屬鋰負(fù)極等高比容量材料，因此有機(jī)會(huì)抬升能量密度的上限。

（圖片來(lái)源：[2]）

金屬鋰的理論容量遠(yuǎn)高于石墨，但在液態(tài)體系中更易產(chǎn)生枝晶并帶來(lái)短路風(fēng)險(xiǎn)；若固態(tài)電解質(zhì)能在力學(xué)與界面層面更有效地約束枝晶生長(zhǎng)，就有望為更高能量密度打開(kāi)空間。部分固態(tài)體系在高溫環(huán)境下也更穩(wěn)定，因此在一定范圍內(nèi)能改善溫度的適應(yīng)性與快充過(guò)程中的安全冗余。

當(dāng)然，固態(tài)電池也面臨一定的挑戰(zhàn)，最核心的是它的界面。液態(tài)電解液能流動(dòng)并充分浸潤(rùn)電極孔隙，界面更容易做成低阻抗；而固態(tài)電池屬于固-固接觸，任何微小空隙都可能導(dǎo)致界面阻抗升高、局部發(fā)熱與容量損失。更棘手的是充放電會(huì)引起電極體積變化，界面可能逐漸松動(dòng)、脫粘甚至開(kāi)裂，從而加速衰減。

全固態(tài)電池中各類界面問(wèn)題匯總（圖片來(lái)源：[5]）

此外，枝晶問(wèn)題并不會(huì)因固態(tài)化而自動(dòng)消失，在缺陷、晶界或界面薄弱處仍可能生長(zhǎng)并誘發(fā)短路，要求材料強(qiáng)度、離子傳導(dǎo)、界面化學(xué)與缺陷控制協(xié)同優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www2.scut.edu.cn/SESM/2020/1019/c21721a404778/page.htm

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/rRArV_Gy9Kn672KvwzaGjw

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/EgD80drFW6J1Iycj4RIahg

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/AEmtdIwuoSRCueIsnvgLMQ

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/NI_sRVMIDORhCY2ZASPPbg

[6]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%BA%E6%80%81%E7%94%B5%E6%B1%A0

[7]https://www.energy.gov/eere/ammto/breaking-it-down-next-generation-batteries

來(lái)源：力學(xué)科普

編輯：測(cè)不準(zhǔn)的小陽(yáng)

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