薄膜型全固態(tài)鋰電池

我國的薄膜型全固態(tài)鋰電池的研究與商業(yè)化起步相對較晚。1999年，復(fù)旦大學(xué)傅正文教授課題組率先開展薄膜型全固態(tài)鋰電池的相關(guān)研究，并取得了一系列進(jìn)展。之后，北京航空材料研究院、上?？臻g電源研究所、北京有色金屬研究總院、中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所、電子科技大學(xué)、重慶師范大學(xué)、廈門大學(xué)以及南京理工大學(xué)等國內(nèi)高校、科研院所陸續(xù)開展了薄膜型全固態(tài)鋰電池的研究。然而，上述單位主要是基于關(guān)鍵材料的研究開發(fā)和實驗室小樣的制備，目前尚無公開的產(chǎn)業(yè)化報道。天津瑞晟暉能科技有限公司是國內(nèi)率先開展薄膜型全固態(tài)鋰電池研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化的公司。該公司致力于薄膜型全固態(tài)鋰電池的制造、封裝和系統(tǒng)整合，目前正在進(jìn)行實驗室小試以及小試產(chǎn)品的廣泛試驗，近期將著手建立預(yù)期年產(chǎn)1萬塊薄膜型全固態(tài)鋰電池的連續(xù)化制備的中試線。該公司已成功開發(fā)了以金屬、玻璃、云母為基底的LiCoO2//LiPON//Li、LiMn2O4//LiPON//Li、MnOx//LiPON//Li等多款薄膜型全固態(tài)鋰電池樣品。基于不銹鋼基底的LiCoO（22μm）//LiPON//Li電池具有良好的柔性，在10C的大電流下放電容量可達(dá)1C時的72%，在0.5C時工作溫度區(qū)間可達(dá)-40～80℃，5C倍率下可實現(xiàn)3000次以上的穩(wěn)定循環(huán)（84%容量保持率）。隨著LiCoO2正極厚度的增加，最大單體電池容量可達(dá)1mA·h（5μmLiCoO2，2cm×2cm有效面積，玻璃基底）。
 

近年來，薄膜型全固態(tài)鋰電池的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有加快的趨勢，其對應(yīng)的應(yīng)用市場也在逐步擴(kuò)大。根據(jù)WinterGreenResearch公司的市場咨詢報告顯示，2014年薄膜型全固態(tài)鋰電池的市場為3500萬美元，2021年將迅速增大到34億美元。并且，根據(jù)NanoMarkets公司發(fā)布的2015—2022年薄膜電池和印刷電池市場報告顯示，隨著智能卡、包裝、消費類電子產(chǎn)品、可穿戴設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，薄膜電池在這些領(lǐng)域的市場將從2015年的3400萬美元增長到2018年的1.83億美元，于2022年最終將達(dá)到11億美元。在微電子領(lǐng)域，薄膜型全固態(tài)鋰電池是微機(jī)電系統(tǒng)唯一匹配的能源形式，隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，其需求也將進(jìn)一步增大。在柔性電子領(lǐng)域，具有高安全性和柔性的薄膜型全固態(tài)鋰電池是可穿戴電子設(shè)備的理想電源。根據(jù)MarketsandMarkets發(fā)布的全球柔性電池市場預(yù)測研究報告顯示，2015—2020年期間，全球柔性電池市場以46.6%的復(fù)合年增長率增長，到2020年預(yù)計將達(dá)9.58億美元，為薄膜鋰電池的市場化帶來了新的契機(jī)。然而，以上市場報告主要是基于微小型電子器件的應(yīng)用市場，手機(jī)、筆記本電腦等消費類電子產(chǎn)品乃至電動汽車等更為巨大的市場對薄膜型全固態(tài)鋰電池提出了更高的容量要求。2013年被蘋果公司收購的InfinitePowerSolution開發(fā)出多層堆垛統(tǒng)一密封結(jié)構(gòu)的薄膜型全固態(tài)鋰電池。其中，1.3mm厚的電池容量高達(dá)1360mA·h，可以滿足手機(jī)使用需求，并且各項性能遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)前商業(yè)化的鋰離子電池，而制造成本相當(dāng)，表明高容量的薄膜型全固態(tài)鋰電池具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

然而，我國的薄膜型全固態(tài)鋰電池技術(shù)成熟度與國際相比仍存在較大的差距，具體表現(xiàn)為：①我國對薄膜型全固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵材料體系研究開發(fā)起步較晚，并且在薄膜電池的大規(guī)模制備、電池組的設(shè)計制造、電池密封保護(hù)層、封裝技術(shù)、失效機(jī)制、性能評估標(biāo)準(zhǔn)等方面也缺乏系統(tǒng)的研究；②在薄膜電池制備必需的真空鍍膜設(shè)備等硬件方面以及必需的濺射靶材等原材料方面，我國與美國應(yīng)用材料公司、日本愛發(fā)科等國際企業(yè)相比缺乏相關(guān)的研發(fā)經(jīng)驗，公開報道的資料極少；③在薄膜電池應(yīng)用方面，Cymbet等國外企業(yè)已實現(xiàn)了薄膜型全固態(tài)鋰電池在微型電子設(shè)備上的應(yīng)用，而國內(nèi)暫無可售的薄膜電池產(chǎn)品，在商業(yè)化應(yīng)用方面也尚無公開報道。總體而言，我國有待進(jìn)一步突破國外的技術(shù)封鎖，實現(xiàn)薄膜型全固態(tài)鋰電池技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的自主化。