固態電池什么時候可以商用

固態電池被普遍視為下一代電池技術，因而受到了極大關注。目前，固態電池的發展之路仍充滿荊棘，但并不妨礙其巨大市場潛力的逐步釋放。預計到2030年，固態電池有望可以商用。

近年來，隨著電動化趨勢愈發凸顯，特別是新能源汽車的快速普及，市場上關于電池技術發展的要求越發急迫。業內專家表示，就現在來看，鋰離子電池已經達到瓶頸，必須加快發展新一代電池技術，而固態電池最受看好。

固態電池即是使用固體電極和固體電解質的電池。由于國家主管部門及市場對動力鋰電池性能提出了很高的要求，且液態電池的弊端日益顯現，因此以固態物質為主、安全性更高的固態電池成為了產業領域和科技領域共同認定的下一代動力鋰電池理想對象。

全固態電池電極材料

雖然固態電解質與電極材料界面基本不存在固態電解質分解的副反應，但是固體特性使得電極/電解質界面相容性不佳，界面阻抗太高嚴重影響了離子的傳輸，最終導致固態電池的循環壽命低、倍率性能差。另外，能量密度也不能滿足大型電池的要求。關于電極材料的研究重要集中在兩個方面：一是對電極材料及其界面進行改性，改善電極/電解質界面相容性；二是開發新型電極材料，從而進一步提升固態電池的電化學性能。

正極材料

全固態電池正極一般采用復合電極，除了電極活性物質外還包括固態電解質和導電劑，在電極中起到傳輸離子和電子的作用。LiCoO2、LiFepO4、LiMn2O4等氧化物正極在全固態電池中應用較為普遍。

當電解質為硫化物時，由于化學勢相差較大，氧化物正極對Li+的吸引大大強于硫化物電解質，造成Li+大量移向正極，界面電解質處貧鋰。

若氧化物正極是離子導體，則正極處也同樣會形成空間電荷層，但假如正極為混合導體（如LiCoO2等既是離子導體，又是電子導體），氧化物處Li+濃度被電子導電稀釋，空間電荷層消失，此時硫化物電解質處的Li+再次移向正極，電解質處的空間電荷層進一步增大，由此產生影響電池性能的非常大的界面阻抗。

在正極與電解質之間新增只有離子導電氧化物層，可以有效抑制空間電荷層的產生，降低界面阻抗。此外，提高正極材料自身的離子電導率，可以達到優化電池性能、提高能量密度的目的。

為了進一步提高全固態電池的能量密度及電化學性能，人們也在積極研究和開發新型高能量正極，重要包括高容量的三元正極材料和5V高電壓材料等。

三元材料的典型代表是LiNi1-x-yCoxMnyO2（NCM）和LiNi1-x-yCoxA1yO2（NCA），均具有層狀結構，且理論比容量高。

與尖晶石LiMn2O4相比，5V尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4具有更高的放電平臺電壓（4.7V）和倍率性能，因此成為全固態電池正極有力的候選材料。

除了氧化物正極，硫化物正極也是全固態電池正極材料一個重要組成部分，這類材料普遍具有高的理論比容量，比氧化物正極高出幾倍甚至一個數量級，與導電性良好的硫化物固態電解質匹配時，由于化學勢相近，不會造成嚴重的空間電荷層效應，得到的全固態電池有望實現高容量和長壽命的實周要求。

然而，硫化物正極與電解質的固固界面仍存在接觸不良、阻抗高、無法充放電等問題。

負極材料

金屬Li負極材料

因其高容量和低電位的優點成為全固態電池最重要的負極材料之一，然而金屬Li在循環過程中會有鋰枝晶的產生，不但會使可供嵌/脫的鋰量減少，更嚴重的是會造成短路等安全問題。

另外，金屬Li十分活潑，容易與空氣中的氧氣和水分等發生反應，并且金屬Li不能耐高溫，給電池的組裝和應用帶來困難。加入其它金屬與鋰組成合金是解決上述問題的重要方法之一，這些合金材料一般都具有高的理論容量，并且金屬鋰的活性因其它金屬的加入而降低，可以有效控制鋰枝晶的生成和電化學副反應的發生，從而促進了界面穩定性。鋰合金的通式是LixM，其中M可以是In、B、Al、Ga、Sn、Si、Ge、pb、As、Bi、Sb、Cu、Ag、Zn等。

然而，鋰合金負極存在著一些明顯的缺陷，重要是在循環過程中電極體積變化大，嚴重時會導致電極粉化失效，循環性能大幅下降，同時，由于鋰仍然是電極活性物質，所以相應的安全隱患仍存在。

目前，可以改善這些問題的方法重要包括合成新型合金材料、制備超細納米合金和復合合金體系（如活性/非活性、活性/潔性、碳基復合以及多孔結構）等。

碳族負極材料

碳組的碳基、硅基和錫基材料是全固態電池另一類重要的負極材料。碳基以石墨類材料為典型代表，石墨碳具有適合于鋰離子嵌入和脫出的層狀結構，具有良好的電壓平臺，充放電效率在90%以上，然而理論容量較低（僅為372mAh/g）是這類材料最大的不足，并且目前實際應用己經基本達到理論極限，無法滿足高能量密度的需求。

最近，石墨烯、碳納米管等納米碳作為新型碳材料出現在市場上，可以使電池容量擴大到之前的2-3倍。

氧化物負極材料

重要包括金屬氧化物、金屬基復合氧化物和其他氧化物。典型的煙花無負極材料有：TiO2、MoO2、In2O3、Al2O3、Cu2O、VO2、SnOx、SiOx、Ga2O3、Sb2O5、BiO5等，這些氧化物均具有較高的理論比容量，然而在從氧化物中置換金屬單質的過程中，大量的Li被消耗，造成巨大的容量損失，并且循環過程中伴隨著巨大的體積變化，造成電池的失效，通過與碳基材料的復合可以改善這一問題。

結論

目前最有可能被應用到全固態鋰離子電池中的固態電解質材料包括pEO基聚合物電解質、NASICON型和石榴石氧化物電解質、硫化物電解質。

在電極方面，除了傳統的過渡金屬氧化物正極、金屬鋰、石墨負極之外，一系列高性能正、負極材料也在不斷開發，包括高電壓氧化物正極、高容量硫化物正極、穩定性良好的復合負極等。

但仍有問題亟待解決：

1、pEO基聚合物電解質的電導率仍然較低，導致電池倍率和低溫性能不佳，另外與高電壓正極相容性差，具有高電導率且耐高壓的新型聚合物電解質有待開發；

2、為了實現全固態電池的高儲能長壽命，對新型高能量、高穩定性正、負極材料的開發勢在必行，高能量電極材料與固態電解質的最佳組合及安全性要確認。

3、全固態電池中電極/電解質固固界面一直存在比較嚴重的問題，包括界面阻抗大、界面穩定性不良、界面應力變化等，直接影響電池的性能。

雖然存在諸多問題，總體來說，全固態電池的發展前景是非常光明的，在未來替代現有鋰離子電池成為主流儲能電源也是大勢所趨。