固態(tài)電池的用途有哪些？詳解全固態(tài)電池技術及應用情況
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-12 20:05
點擊量：次
如果通俗地講，全固態(tài)電池就是里面沒有氣體、沒有液體，所有材料都以固態(tài)形式存在的電池。
而考慮到現(xiàn)在人們日常生活中最為常見的電池為鋰離子電池，我們在這里將默認把“全固態(tài)鋰離子電池”當做全固態(tài)電池的代表（暫時忽略全固態(tài)鋰硫等新型電池）。
本文也會著重介紹全固態(tài)鋰離子電池（以下將全部簡稱為“全固態(tài)電池”）的各方面，以饗讀者。
一般來說，鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、結構殼體等部分組成，其中電解液使得電流可以在電池內部以離子形式傳導。
電解液技術是鋰電池的核心技術之一，也是現(xiàn)在電池工業(yè)中利潤很高的一個組成部分。
鋰離子電池的結構示意圖
其中Li+（鋰離子）在內電路中，通過電解質（electrolyte）傳導
但是很多讀者可能發(fā)現(xiàn)過自己的鋰電池用久后有的會鼓脹，而在更極端的小概率事件下，有的甚至會發(fā)生危險（比如近來的扭扭車的電池爆炸事件，導致了相關的生產企業(yè)和電池企業(yè)遇到了全面的困難）。
另外一般來說，現(xiàn)在的鋰離子電池的工作溫度范圍有限，在40 度以上的高溫下壽命會急劇縮短，安全性能會也出現(xiàn)很大的問題（所以特斯拉MODEL S會有一套嚴格的電池溫控系統(tǒng)，就是為此）。
實際上，以上所說的幾個安全方面的問題都是與我們現(xiàn)在電池用的有機體系的電解液直接相關的。
而為了解決電池安全問題，提高能量密度，目前科研界和工業(yè)界都在研發(fā)以及生產全固態(tài)電池，也就是把傳統(tǒng)的鋰離子電池的隔膜和電解液，換成固態(tài)的電解質材料。
那么說來說去，相比于我們生活中最常見的普通鋰離子電池，全固態(tài)電池的優(yōu)點主要有哪些呢？首先，我們要知道——
影響普通鋰離電池的安全性的因素主要有哪些？
1）電極材料特性，比如在大電流下工作有可能出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導致短路破壞；
2）電解液為有機液體，在高溫下發(fā)生副反應、氧化分解、產生氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會加??；
3）電池質量參差不齊，尤其是小廠家的電池安全性能不達標；
4）電池管理系統(tǒng)不合格，造成電池的過充放，導致危險的發(fā)生。
（用剪刀減掉電池一角后，仍然能夠安全、正常工作的柔性全固態(tài)電池）
而如果采用了全固態(tài)電池技術，以上的1和2兩點問題就可以直接得到解決，而且所得的電池的最高工作溫度可以從現(xiàn)在的40度提升到更高，這樣就可以使電池的適應工作溫度區(qū)間更寬，應用范圍也會更廣。
安全性，其實是全固態(tài)電池領域發(fā)展的最根本驅動力之一。下面說一下固態(tài)電池的優(yōu)勢
固態(tài)電池有哪些優(yōu)勢？
優(yōu)勢之一：薄--體積小
實際上，體積能量密度對于電池來說是一個很重要的參數(shù)，如果就應用領域來說，要求從高到低是消費電子產品》家用電動汽車》電動公交車。
如果通俗地講，就是體積能量密度高了，因此相同質量的電池才能做的體積更小。
電子產品中的可用空間往往很有限，很多產品（例手機、平板電腦）有近1/3左右的體積和質量已經被電池占據(jù)，而且在廣大生產廠商和消費者希望對電池進一步提高容量（增加續(xù)航）和壓縮體積（便攜美觀和便于設計）的要求下，高壓實、體積能量密度最高的鈷酸鋰（LCO）電池依然是當仁不讓的主流產品。
傳統(tǒng)鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來占據(jù)了電池中近40%的體積和25%的質量。
而如果把它們用固態(tài)電解質取代（主要有有機和無機陶瓷材料兩個體系），正負極之間的距離（傳統(tǒng)上由隔膜電解液填充，現(xiàn)在由固態(tài)電解質填充）可以縮短到甚至只有幾到十幾個微米，這樣電池的厚度就能大大地降低 --因此全固態(tài)電池技術是電池小型化，薄膜化的必經之路。
不僅如此，很多經過物理/化學氣相沉積（PVD/CVD）制備的全固態(tài)電池，其整體厚度可能只有幾十個微米，因此就可以制成非常小的電源器件，整合到MEMS（微機電系統(tǒng)）領域中。
能夠制成體積非常小的電池也是全固態(tài)電池技術的一大特色，這可以方便電池適應各種新型小尺寸智能電子設備的應用，而在這一點上傳統(tǒng)的鋰離子電池的技術是很難達到的。
（現(xiàn)在鋰離子電池各組分的（a）體積占比和（b）質量占比）
目前許多納米材料實用的一大關鍵障礙就在于比表面積大，體積密度過低，導致如果基于這些材料制成產品，往往相同質量下占據(jù)體積過大，即體積能量密度偏低，完全無法滿足一般工業(yè)品的要求。
所以現(xiàn)在的納米（電池）材料科研中往往選擇了不報道這方面的參數(shù)，原因不難理解。
優(yōu)勢之二：柔性化的前景
全固態(tài)電池可以經過進一步的優(yōu)化，變成柔性電池，從而帶來更多的功能和體驗。
實際上，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級以下后經常是可以彎曲的，材料會變得有柔性。
相應的，全固態(tài)電池在輕薄化后柔性程度也會有明顯的提高，通過使用適當?shù)姆庋b材料（不能是鋼性的外殼），制成的電池可以經受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。
實際上，以各種可穿戴設備為代表的柔性電子器件是下一代電子產品發(fā)展的重要方向，而這就要求該產品中的元件同樣需要具有柔性，因此柔性全固態(tài)電池是科研與工業(yè)界中，非常有前景的明日之星。
（韓國KAIST制備的典型疊層結構的柔性全固態(tài)電池）
不僅如此，功能化的全固態(tài)電池潛力遠不只以上的柔性電池，經過電池材料結構優(yōu)化可以制成透明電池，或者是拉伸幅度可達300%的可拉伸電池，或是可以和光伏器件集成化的發(fā)電-存儲一體化器件等等--全固態(tài)電池所意味的功能上的創(chuàng)新應用前景還有很多，在這方面科研人員與工程師們的想像力會給我們帶來越來越多的驚喜。
（拉伸變形度可達300%全固態(tài)電池的結構示意圖）
（太陽能電池和超級電容器一體集成纖維狀器件示意圖）
優(yōu)勢之三：更安全
作為一種能量存儲器件，實際上所有電池在熱力學實質上都不可能是絕對安全的。
但是電池實際應用中的決定其真正安全性的因素是多方面的，影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質，以及電子產品中的電池管理系統(tǒng)等。
目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關心的重點，在這里用“不夠理想”來評價現(xiàn)在電池的安全性，應該是一個比較合適的評價。
