固态电池的优势与面临的挑战

关于固态电池的讨论和研究论很多，它到底是什么，相对于传统的锂电池有什么优势，又有哪些挑战。下面将进行简要分析。

固态电池的概念

锂离子电池有四大主材，分别是正极、负极、电解液、隔膜，固态电池就是将电解液、隔膜替换为固态电解质。所以，固态电解质需要具备这两种主材的功能，作为替换电解液的功能，需在充放电过程中，固态电解质作为锂离子在正负极之间迁移的通道；作为替换隔膜的功能，需防止正负极直接接触导致短路。

在锂离子电池充放电的过程中，锂离子在正负极之间穿梭，这大多依赖溶解在液态溶剂中的锂盐。如果还用仓库与货物的作类比，这个过程有点像货物(锂离子)在两个仓库之间的运输方式是通过”水运”完成的。而固态电解质中的锂离子是在固态晶体或非晶中传输的，相当于货物的运输方式是通过”陆路”完成的。

固态电池的优势

这种将电解液和隔膜替换为固态电解质的固态电池有哪些优势呢？

安全性方面，固态锂离子电池降低了液态电解液燃烧风险，并且抑制锂枝晶穿刺。传统锂离子电池的液态电解液多为有机物，易燃（闪点通常低于60℃），高温下易分解并释放易燃气体，导致热失控时火势蔓延。固态电池采用氧化物或硫化物固态电解质，其分解温度达几百摄氏度，规避了电解液燃烧的隐患。另外，固态电解质机械强度显著高于隔膜，可有效延缓锂枝晶生长，降低短路风险。而液态电池中，由锂枝晶刺穿隔膜诱发的内短，是热失控的主要诱因之一。

即使发生了热失控，固态电池也比液态电池的热量释放速率慢很多，这是因为固态电解质的分解温度很高。这相当于给热失控筑起了一道安全篱笆，无疑为系统安全防护争取关键时间窗口。另外，固态体系可避免液态电解液与电极材料的持续副反应，减少了产气和内压积聚，降低了爆炸概率。其次，固态电池为了保证固态电解质颗粒、电极材料之间的紧密接触，会在制造的时候施加比液态电池大的多的压力，因此在抵抗外界挤压时有天然的优势。在各种机械滥用条件下，固态电池也能表现出更稳定的电流输出，并且其失效模式多为局部熔断而非剧烈燃烧。

能量密度方面，锂电池中实现化学能与电能的活性物质是正负极，电解液和隔膜算是辅材。所以从这个角度出发，前面的文章中才会提到固态电池对能量密度没有影响。但正负极是没办法单独使用的，所以辅材也会通过影响组装、使用进而影响电池的能量密度。并且，开发固态电解质的必要性之一，就是在于其能够突破现有液态锂离子电池的理论能量密度极限，具体体现在以下方面。前面文章的分析中我们知道，锂金属是负极发展必要攻克的高地。但在上世纪80年代，发生过锂金属电池应用的惨痛教训，因而克服锂金属负极的安全性是其应用必要的一环。固态电解质可抑制锂枝晶生长，这就使得直接使用金属锂负极成为可能。

从正极材料角度分析，虽说过渡金属材料已经是正极材料的最优选了。但是目前的正极材料仍未发挥其最大的能量密度，这是因为液态电解液的抗氧化能力有限，这使得正极材料的充电截止电压受到了限制。而固态电解质的抗氧化能力很强，可匹配高镍、富锂锰基等高电压正极材料（>4.5V），使单体电池能量密度突破400Wh/kg，较当前主流液态电池提升30%-60%。

另外，液态电池需保留过量电解液和厚隔膜以保障安全，而固态电解质兼具离子传导和电子隔离功能，电池内部非活性材料用量可以大幅减少，这也能有效提升电池的能量密度。例如采用薄膜化固态电解质，配合三维电极结构设计，固态锂电池的体积能量密度有望达到1200Wh/L以上，满足航空航天等对空间敏感的领域需求。

并且由于固态电解质可以按照设计的形状制备，而不像液态电解液在整个电芯内部传导离子，要想实现串联就只能将液态电解液隔离，势必要制备不同的腔体。假如只在有限的几层正负极片之间传导离子，就可实现单电芯内部不同电极片之间的串联，这使得电池组能量密度可以接近单电芯水平。

固态电池发展面临的挑战

固态电池的呼声非常高,但是迟迟没有在市场上进行推广,是因为它仍面临着非常多的挑战

充放电功率方面，固态电解质中离子传输依赖晶体内部通道，相比液态电解质的自由迁移，导致电池内阻增大，降低了充放电功率。以离子电导率（锂离子传导的速率，可类比理成”货物”搬运的速率）为例，目前常用的电解液通常为0.1–10S/m，硫化物固态电解质也差不多在这个范围内，但氧化物固态电解质通常<0.1S/m。这也是为什么硫化物固态电解质是各大厂商和科研院校研究的主要对象。

循环寿命方面，电极与固态电解质接触面易受外力挤压产生塌陷（如振动），阻断离子传输路径，循环中反复膨胀收缩会进一步恶化界面稳定性。另外，正极、负极材料之间缺少传统液态电解液的离子传输路径，无论是电子还是离子孤立的电极颗粒也都会失去活性，这进一步了降低循环稳定性。也就是说界面稳定性差，最终会导致即使实验室能测出上万次的循环寿命，但实际车载环境（温度冲击/振动）下循环衰减速度加快2-3倍，这也需要一个很长的工程验证周期。

成本方面，前面提到为改善固态电解质的界面，需要在对电池持续施加高压，这无疑会增加生产设备成本、降低生产效率。另外，固态电解质（如硫化物系）材料加生产成本是液态电解质的数十倍。这种高昂的成本，在进行推广的时候，注定其只占据很少的市场比例。这种市场需求与研发头不成正比的现象，也抑制企业研发投入意愿。

安全性方面，固态电池并非没有安全忧虑。一方面，很多实验表明锂枝晶可以沿着固态电解质的晶界生长，也就是说其仍存在内部短路的风险。另一方面，为实现高能量密度目标，必须采用金属锂负极/高镍正极等高活性材料，其热失控释放能量比传统电池高，也会部分抵消固态电解质的热稳定性优势。