隨著全球化石能源的日趨枯竭及其使用帶來的環(huán)境惡化問題，開發(fā)和使用綠色、可再生能源已成為當(dāng)今世界各國可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一，而與之相對應(yīng)的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的開發(fā)已迫在眉睫。在現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池具有能量密度高、工作電壓高、使用壽命長以及無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及筆記本電腦等消費(fèi)類電子產(chǎn)品，并在電動(dòng)汽車、大規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。然而，當(dāng)前商用鋰離子電池由于采用易燃的液態(tài)有機(jī)電解液，存在安全隱患，在過充放電、短路等非正常環(huán)境下會(huì)引起電池的燃燒甚至爆炸，對人身健康和關(guān)鍵設(shè)備的安全造成威脅，是目前亟需解決的關(guān)鍵問題之一。采用固態(tài)電解質(zhì)替代有機(jī)液態(tài)電解液，制備全固態(tài)鋰電池是解決當(dāng)前鋰離子電池安全問題的根本途徑。此外，全固態(tài)鋰電池在提高電池能量密度、拓寬工作溫度區(qū)間、延長使用壽命等方面有著極大的優(yōu)勢：①采用金屬鋰作為負(fù)極有望顯著提高電池的能量密度，并且使高容量無鋰正極的使用成為可能；②固態(tài)電解質(zhì)相比液態(tài)電解質(zhì)具有更寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，使得高電壓的正極使用成為可能，可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的極限能量密度；③固態(tài)電解質(zhì)相比液態(tài)電解質(zhì)具有更寬的工作溫度范圍；④固態(tài)電解質(zhì)的使用，可以避免液態(tài)有機(jī)電解液形成SEI時(shí)的消耗以及電極材料在電解液中的副反應(yīng)、溶解，因而可實(shí)現(xiàn)更好的可逆性和更長的循環(huán)壽命[3]。然而，體型固態(tài)鋰電池由粉體壓制或燒結(jié)而成，電極與電解質(zhì)之間易存在大量的氣-固界面，非緊密的接觸易導(dǎo)致較大的界面電阻。界面失配也是造成電池阻抗的主要原因，界面問題因而成為阻礙固態(tài)鋰電池發(fā)展的最關(guān)鍵技術(shù)問題。而薄膜型全固態(tài)鋰電池，采用一種全新的制備方式，通過鍍膜技術(shù)將材料氣化并以原子或分子沉積的方式成膜，能有效解決固固界面的微觀缺陷，實(shí)現(xiàn)固固界面的致密結(jié)合，為鋰離子電池開辟了新的發(fā)展方向。本文將對薄膜型全固態(tài)鋰電池的工作原理及特點(diǎn)、關(guān)鍵材料以及國內(nèi)外具有代表性的產(chǎn)業(yè)化及研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，并展望薄膜型全固態(tài)鋰電池技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

薄膜型全固態(tài)鋰電池的特點(diǎn)

薄膜型全固態(tài)鋰電池是在傳統(tǒng)鋰離子電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)的鋰離子電池。其基本工作原理與傳統(tǒng)鋰離子電池類似，即在充電過程中Li+從正極薄膜脫出，經(jīng)過電解質(zhì)在負(fù)極薄膜發(fā)生還原反應(yīng)；放電過程則相反。薄膜鋰電池在結(jié)構(gòu)上使用固態(tài)電解質(zhì)層取代了傳統(tǒng)鋰離子電池原有的電解液和隔膜，由致密的正極、電解質(zhì)、負(fù)極薄膜在襯底上疊加而成，并且在加工制備、電化學(xué)特性等方面有著顯著的差異。在加工制備方面，商用鋰離子電池多采用涂布、噴涂等方法，體型固態(tài)鋰電池多采用涂布、擠壓、高溫?zé)Y(jié)等工藝。而薄膜型全固態(tài)鋰電池通常使用磁控濺射、脈沖激光沉積、熱蒸發(fā)等鍍膜方法或者化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠等合成方法成膜?；谝陨现苽涔に?，薄膜型全固態(tài)鋰電池的電極薄膜十分致密，與體型固態(tài)電池的多孔電極相比，電極材料的利用率可有效提高。此外，由于薄膜鋰電池的電解質(zhì)和電極在制備時(shí)為原子或分子簇團(tuán)疊加成膜，與體型固態(tài)電池相比可以更有效地解決固-固界面上的微觀缺陷，實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合的固-固界面。在性能方面，薄膜鋰電池除具有提高電池能量密度、拓寬工作溫度區(qū)間、延長使用壽命等固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)外，與體型固態(tài)鋰電池相比，還具有以下特點(diǎn)：①電極/電解質(zhì)界面接觸良好，具有極薄電解質(zhì)層，可實(shí)現(xiàn)快速充放電；②電極材料更為致密，可實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，更低的自放電率（<1%每年），并具有超長的循環(huán)壽命（文獻(xiàn)報(bào)道最長達(dá)40000次，容量保持95%）[8]；③電池可設(shè)計(jì)性更高，體積小，與半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝匹配，可在電子芯片內(nèi)集成。然而，由于受鍍膜工藝的限制，目前薄膜電極厚度通常為微米級，存在著單位面積比容量較低的缺點(diǎn)?；谝陨咸匦?，薄膜型全固態(tài)鋰電池可廣泛的應(yīng)用于智能卡、電子標(biāo)簽、集成電路等領(lǐng)域，被認(rèn)為是微電子系統(tǒng)電源供應(yīng)中唯一可用的能源器件以及可穿戴電子設(shè)備的理想電源，還可以應(yīng)用于可植入醫(yī)療器件、航天航空等特殊領(lǐng)域。