固态锂电池跟现在用的锂电池有什么区别？什么时候可以运用到新能源上，

现在，大力打开新能源轿车已成为各国结束节能减排、应对气候变化的一致，许多国家更是将打开新能源轿车上升到国家战略高度。美国、欧洲、日本等国的各大轿车集团均推出各自的打开方案，如群众提出「2025战略」，估量到2025年推出逾越30款的电动车，销量力求抵达300万辆。尤其是2016年以来，首要轿车强国更是纷乱加大新能源轿车工业的支撑力度：

德国政府和工业界供给了共计12亿欧元的补助资金，并施行特征购置补助战略；

美国政府供给了45亿美元的告贷担保，大力推动电动轿车基础设施制作，并出资开发车载高能量密度电池。

在此布景下，截止2016年全球新能源轿车累计出售打破200万量，其间我国占比50%以上，为节能减排和全球气候变化作出实质性奉献。

可是，现在电动轿车的规划化运用仍受制于续驶旅程、安全性、本钱等多项限制，例如针对车辆的续驶旅程，若单纯添加电池数量，会构成整车增重，然后构成百公里电耗的明显添加，随之而来的是全生命周期的碳排放行进，整车价格也会水涨船高，因而根本处理战略仍需大幅行进电池的各方面功用。以美国特斯拉推出的ModleS电动轿车为例，为了处理「旅程焦虑」问题，选用了近7000个3.1Ah的18650型锂离子电池，使其续航旅程抵达400km以上，可是其电池重量抵达500kg，轿车的价格高达7.9万美元，必定程度上克制了其在商场中推行。

每一次电池功用的明显行进，本质上都是电池资料系统的严峻改造。从第一代的镍氢电池和锰酸锂电池，第二代的磷酸铁锂电池，到现在广为选用且估量继续到2020年左右的第三代三元电池，其能量密度和本钱分别呈现出阶梯式上升和下降的明显趋势。因而，下一代车用电池选用何种电池系统，关于结束2020~2025年的电池方针至关重要。

现在，在新式化学电源范畴的各类公共场所“全固态锂电池”的呈现频率越来越高，业界也基本构成了一致：全固态锂电池有望作为下一代动力电源进入商场，但终究什么是全固态锂电池？

1.全固态锂电池的概述

传统锂离子电池选用有机液体电解液，在过度充电、内部短路等异常的情况下，电池简略发热，构成电解液气胀、自燃乃至爆炸，存在严峻的安全隐患。20世纪50时代打开起来的根据固体电解质的全固态锂电池，因为选用固体电解质，不含易燃、易挥发组分，完全消除电池因漏液引发的电池冒烟、起火等安全隐患，被称为最安全电池系统。

关于能量密度，中、美、日三国政府希望在2020年开宣布400～500Wh/kg的原型器件，2025～2030年结束量产。要结束这一方针，现在公认的最有或许的即为金属锂负极的运用，金属锂在传统液态锂离子电池中存在枝晶、粉化、SEI（固态电解质界面膜）不安稳、外表副反应多等许多技能应战，而固态电解质与金属锂的兼容性使得运用锂作负极成为或许，然后明显结束能量密度的行进。

表1不同类型锂基电池的特性比较

表1对比了传统锂电池和全固态锂电池，从中可了解固态锂电池的基本特性。进一步，如表2所示，针对车用电池运用的希望要求，根据本身特性，固态电池系统逐一给出或许的处理思路。

表2电池运用要求与固态电池系统处理思路

从呈现的时刻节点来看，全固态金属锂电池要早于液态锂离子电池，只不过在早期，全固态金属锂电池的电化学功用、安全性、工程化制作方面一向无法满意运用要求。

液态锂离子电池通过不断改进，概括技能方针逐渐满意消费电子类商场运用需求，后来被更多的商场所接受。

从技能打开趋势来看，比较液态锂离子电池，全固态金属锂电池有或许具有安全功用好、能量密度高和循环寿数长等利益。

近年来，固体电解质资料，特别是硫化物电解质资料在离子电导率方面取得了严峻打破，因而全固态锂电池技能逐渐开始引起世界规划内的研制安排和大型企业的重视。

2.全固态锂电池的分类

伴随着全固态锂电池热的鼓起，各种“全固态”或“固态”概念的锂电池相继呈现，存在着稠浊概念的现状。特将已呈现的七类跟固态锂电池相关的概念进行了收拾，并进行了开始的总结。

液态锂电池：电芯在制作过程中不含有固体电解质，只含有液体电解质的锂电池，包含液态锂离子电池和液态金属锂电池。

凝胶电解质锂电池：电芯中液态电解质以凝胶电解质方式存在，电芯中不含固体电解质，这实践归于液态锂离子电池范畴。

半固态锂电池：电芯电解质相中，质量或体积的一半是固体电解质，另一半是液体电解质；或许电芯中一端电极是全固态，另一端电极中含有液体。

准固态锂电池：电芯的电解质中含有必定的固体电解质和液体电解质，液体电解质的质量或体积小于固体电解质的比例。

固态锂电池：电芯中含有较高质量或体积比的固体电解质，一起含有少量液体电解质的电池，被一些研讨人员称之为“固态锂电池”，但这实践上不是全固态锂电池。

混合固液锂电池：电芯中一起存在固体电解质和液体电解质。包含前述半固态、准固态、固态锂电池等均为混合固液锂电池的一种。因为不需求人为根据固液比例分类，也不会产生歧义，引荐运用这一术语，也能够称为“混合固液电解质锂电池”。

全固态锂电池：电芯由固态电极和固态电解质资料构成，电芯在作业温度规划内，不含有任何质量及体积分数的液体电解质，也可称为“全固态电解质锂电池”。能够充放电循环的可进一步称为“全固态锂二次电池”或“全固态电解质锂二次电池”。

总结而言，锂电池根据电解质不同能够分为液态锂电池，混合固液锂电池和全固态锂电池三大类。根据负极的不同能够分为负极为金属锂的金属锂电池，负极不含金属锂的锂离子电池。

表一：不同电解质类型的混合固液锂电池和全固态锂二次电池类型及特征[1]

3.全固态锂二次电池或许具有的优势

全固态锂二次电池之所以会让世界巨头们看中是因为它有望处理现在困扰动力电池职业的两大“应战”——安全隐患和能量密度偏低问题。全固态锂电池比较于液态锂离子电池所具有的优势包含：

(1)安全功用高

因为液态电解质中含有易燃的有机溶剂，产生内部短路时温度骤升简略引起焚烧，乃至爆炸，需求设备抗温升和防短路的安全设备结构，这样会添加本钱，但仍无法完全处理安全问题。声称BMS做到全球最好的特斯拉，在今年仅国内就有两辆ModelS产生严峻起火事件。

许多无机固体电解质资料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，也有望战胜锂枝晶现象，因而根据无机固体电解质的全固态锂二次电池有望具有很高的安全特性。

聚合物固体电解质仍然存在必定的可焚烧风险，但比较于含有可燃溶剂的液态电解液电池，安全性也有较大行进。

(2)能量密度高

现在，商场中运用的锂离子电池电芯能量密度最高抵达260Wh/kg左右，正在开发的锂离子电池能量密度可抵达300-320Wh/kg。对全固态锂电池来说，假定负极选用金属锂，电池能量密度有望抵达300-400Wh/kg，乃至更高。

需求说明的是，因为固体电解质密度高于液态电解质，关于正负极资料相同的系统，液态电解质的锂电池能量密度要明显高于全固态锂电池。之所以说全固态锂二次电池能量密度高，是因为负极或许选用金属锂资料。

(3)循环寿数长

固体电解质有望防止液态电解质在充放电过程中继续构成和成长固体电解质界面膜的问题和锂枝晶刺穿隔阂问题，有或许大大行进金属锂电池的循环性和运用寿数。

已报导的薄膜型全固态金属锂电池能够循环45000次，但现在大容量金属锂电池没有有长循环寿数的报导，首要是现在高面容量金属锂电极（>3mAh/cm2）的循环功用还较差。

(4)作业温度规划宽

全固态锂电池假定全部选用无机固体电解质，最高操作温度有望行进到300℃乃至更高，现在，大容量全固态锂电池的低温功用有待行进。详细电池的作业温度规划，首要与电解质及界面电阻的高低温特性有关。

(5)电化学窗口宽

全固态锂电池的电化学安稳窗口宽，有或许抵达5V，适应于高电压型电极资料，有利于进一步行进能量密度。现在根据氮化磷酸锂的薄膜锂电池能够在4.8V作业。

(6)具有柔性优势

全固态锂电池能够制备成薄膜电池和柔性电池，未来可运用于智能穿戴和可植入式医疗设备等。相关于柔性液态电解质锂电池，封装更为简略、安全。

(7)收回便利

电池收回总的来说是两种办法，一个是湿法，一个是干法。湿法是把里边有毒有害的液体芯取出来，干法是比方破碎把有用的成分提取出来。全固态锂电池的优势就在于，其本身里边没有液体，所以从理论上来说应该没有废液，处理起来相对来说是比较简略。

4.全固态锂二次电池现在存在的缺点和部分处理方案

尽管全固态锂二次电池在多方面表现出明显优势，但一起也有一些迫切需求处理的问题：固体电解质资料离子电导率偏低；固体电解质/电极间界面阻抗大，界面相容性较差，一起，充放电过程中各资料的体积胀大和缩短，导致界面简略分别；有待规划和构建与固体电解质相匹配的电极资料；现阶段的电池制备本钱较高档。针对这些问题，研讨人员进行了各种测验，并给出了部分或许的处理途径。

表二：全固态锂二次电池现在存在的缺点和处理方案

5.中心资料介绍

(1).固体电解质

固体电解质是全固态锂二次电池的中心部件，其打开直接影响全固态锂二次电池工业化的进程。现在固体电解质的研讨首要会集在三大类资料：聚合物、氧化物和硫化物。

表三：三类固体电解质首要系统和功用

聚合物固体电解质（SPE），由聚合物基体（如聚酯、聚醚和聚胺等）和锂盐（如LiClO4、LiAsF6、LiPF6等）构成，自从1973年P.V.Wright在碱金属盐复合物中发现离子导电性后，聚合物资料因为其质量较轻、弹性较好、机械加工功用优异的固态电化学特性而遭到广泛重视。SPE也是最早结束实践运用的固体电解质，早在2011年法国企业博洛雷就开始向巴黎投送Autolib电动车，该车便是选用根据SPE的全固态锂电池系统。

氧化物固体电解质按照物质结构能够分为晶态和非晶态两类，其间晶态电解质包含钙钛矿型、反钙钛矿型、石榴石型、NASICON型、LISICON型等，非晶态氧化物的研讨抢手是用在薄膜电池中的LiPON型电解质和部分晶化的非晶态资料。

硫化物固体电解质是由氧化物固体电解质衍生出来的，电解质中的氧化物机体中氧元素被硫元素所替代。因为硫元素的电负性比氧元素要小，对锂离子的绑缚要小，有利于得到更多清闲移动的锂离子。一起，硫元素的半径比氧元素要大，当硫元素替代氧元素时使晶格结构扩展，构成较大的锂离子通道而行进导电率，室温下可达10-4-10-2S/cm。

(2).正极资料

全固态锂二次电池的正极一般选用复合电极，除了电极活性物质外还包含固体电解质和导电剂，在电极中起到一起传输离子和电子的效果。LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4研讨较为广泛，后期或许开发高镍层状氧化物、富锂锰基及高电压镍锰尖晶石型正极，也一起应重视不含锂的新式正极资料的研讨和开发。

(3).负极资料

全固态锂二次电池的负极资料现在首要会集在金属锂负极资料、碳族负极资料和氧化物负极资料三大类，三大资料各有优缺点，其间金属锂负极资料因其高容量和低电位的利益成为全固态锂电池最首要的负极资料之一。

表四：三类负极资料首要系统和功用

6.全固态锂二次电池容量区别及对应运用范畴与制备工艺

图二：柔性薄膜全固态锂二次电池

从全固态锂二次电池的形状上能够分红薄膜型和大容量型两大类。各类型全固态锂电池的电芯封装技能截然不同，首要差别在于极片和电解质膜片的制备。

薄膜型全固态锂二次电池在衬底大将电池的各种元素按照正极、电解质、负极的次第依次制备成薄膜、终究封装成一个电池。在制备过程中需求选用相对应的技能分别制备电池各薄膜层，一般来说负极选择金属锂居多，选用真空热气相沉积（VD）技能制备；电解质和正极包含氧化物的负极能够选用各种溅射技能，如射频溅射（RFS）、射频磁控溅射（RFMS）等，现在也有研讨用3D打印技能来制备薄膜。

图三：大容量全固态二次锂电池

大容量全固态锂二次电池，因为运用面宽，商场很大，需求能快速、低本钱的规划制备，在液态锂离子电池中广泛运用的高速揉捏涂布或喷涂技能能够学习。

根据聚合物固体电解质的大容量全固态锂二次电池制备与现有锂离子电池的卷绕工艺接近。

可是，考虑到现在无机固体电解质膜的柔韧性欠安，在制备全固态锂二次电池时更多的选用叠片工艺，至于详细是分别制备电解质与正负极膜片后叠合，仍是选用双层或多层一次涂布制备电解质和正极的复合层，更适合规划化出产的技能路程还有待进一步的研讨。

表五：全固态锂二次电池的容量、运用与或许的制备工艺

全固态锂二次电池的出产设备尽管与传统锂离子电池电芯出产设备有较大差别，但从客观上看也不存在革命性的立异，或许80%的设备能够接连锂离子电池的出产设备，只是在出产环境上有了更高的要求，需求在更高等级的单调间内进行出产，这关于具有超级电容器、锂离子电容器、镍钴铝、预锂化、钛酸锂等空气灵敏储能器件或资料的企业来说，制作环境能够兼容，但相应的出产环境本钱明显行进。

7.全固态锂二次电池打开大事件

图四：全固态锂电池打开大事件图

（图中仅罗列全固态电池职业部分大事件，如有遗失，欢迎补偿）

8.全固态锂二次电池的展望

现在新能源轿车的打开现已清楚上升到国家战略层面，其间动力电池是新能源轿车最要害的中心部件，其要害程度可见一斑。

图五：中美日动力电池国家项目方针对比

按照我国《节能与新能源轿车技能路程图》，2020年的纯电动轿车动力电池的能量密度方针为300Wh/kg，2025年方针为400Wh/kg，2030年方针为500Wh/kg。

揭穿资料闪现，其时选用三元正极资料和石墨负极资料的液态电解质动力锂离子电池的能量密度极限在250Wh/kg左右，而引入硅基复合资料替代纯石墨作为负极资料，液态电解质动力锂离子电池电芯的能量密度能够抵达300Wh/kg，上限约为350Wh/kg（现已在特斯拉Model3上运用的松下21700电池，正极选用镍钴铝三元资料，负极选用硅基复合资料，自称能量密度已逾越300Wh/kg）。

“假定能量密度进一步行进，必定要从现在开始就要考虑全固态锂电池。”我国工程院陈立泉院士在近来揭穿演说中称，“电动轿车工业中长期打开需求进行技能储藏，而全固态锂电池有望成为我国下一代车用动力电池主导技能路程。打开全固态锂电池，刻不容缓！”

而从世界规划内看，几大老牌强国几乎都现已确立了新能源车打开规划，9月7日，苏格兰民族党(SNP)党首尼古拉?斯图金在议会上称，将争夺于2032年中止出售汽油和柴油轿车来减少空气污染。

实践上，不止是苏格兰，挪威、荷兰、德国、英国、比利时也都现已出台或预备出台有关废止燃油车的方针。

所以，我们能够想象，到2050年，去欧洲旅行、出差，放眼望去，在路上跑的都是新能源轿车。反观我们国家，从实践动身也做了相关的打开规划，在现已发布的《轿车工业中长期规划》中，我国轿车工业方针到2020年，结束轿车产销量3000万辆，其间新能源轿车200万辆；到2025年，结束轿车产销量3500万辆，其间新能源轿车700万，占比20%。

为应对新能源轿车越来越急切的高功用需求，各国都现已开始布局高能量密度锂电池，如日本政府提出，2020年动力电池电芯能量密度将抵达250Wh/kg，2030年抵达500Wh/kg；美国先进电池联合会（USABC）提出将2020年电芯能量密度由原本的220Wh/kg行进至350Wh/kg；我国国务院发布的《我国制作2025》中清楚提出，2020年我国动力电池单体比能量抵达300Wh/kg，2025年抵达400Wh/kg，2030年抵达500Wh/kg。

美国Battery500项目提出，2020年研制出能量密度抵达500Wh/kg的动力电池样品。行进电芯能量密度，必定要求统筹安全性，因而打开全固态锂二次电池技能，具有重要的意义。

图六：世界规划内部分全固态锂二次电池研讨安排及企业分布图

（图中仅罗列全球部分全固态二次锂电池研讨安排及企业，如有遗失，欢迎补偿）

现在，全球规划内约有20多家制作企业、草创公司和高校科研院所致力于固态电池技能。

高档院校大多数专注于资料层面的研讨，国外以美国阿贡国家实验室为代表，在国内，中科院2013年建立固态先导方案，希望5年内结束固态电池工业化;一些研讨安排、Start-up和新能源公司在资料研制与制备方面具有一起技能，电池样品则以手艺/半手艺为主，仅少部分结束演示车用。大型企业方面，日本以丰田、日立造船和出光兴产等为代表，在固态电池的车用范畴处于世界领先方位。

固态电池的工业化与电芯的高一致性和规划化制备的难易程度密切相关：

就制备工艺而言，鉴于其时固态电解质膜的柔韧性欠安，固态电芯组装更多倾向叠片而非卷绕工艺，但细分工艺尚不可知；

就制作装备而言，尽管固态电池与传统锂离子电池存在较大差异，但不存在根本性差异，只是在涂布、封装等工序上需求定制化的设备，并且制作环境需在更高要求的单调间进行。

因而，固态电池工业化的结束从根本上仍是取决于资料工艺层面的打破，包含要害资料、极片、正负极与电解质匹配的资料工艺，现在，在界面电阻下降，金属锂高容量、高倍率和低体积变化的处理方案，以及兼具离子电导和机械特性的固态电解质膜的老到制备技能等方面尚缺少有用的处理方案。

因而，高能量密度全固态电池的工业化运用，有望通过半固态电池、固态电池和全固态电池3个阶段逐渐结束，估量耗时5～10年时刻。