全固態(tài)電池

什么叫做全固態(tài)電池，通俗的講，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 “全固態(tài)鋰離子電池”。目前科研界和工業(yè)界都在研發(fā)以及生產(chǎn)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(zhì)材料。那么全固態(tài)電池的優(yōu)缺點點主要有哪些呢？

1、優(yōu)勢之一：輕——能量密度高

使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會發(fā)生改變，其中核心的一點就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以明顯減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高。此外，許多新型高性能電極材料，可能之前與現(xiàn)有的電解液體系的兼容性并不好，但是在使用全固態(tài)電解質(zhì)后該問題可以得到一定的緩解。綜合考慮到以上兩大因素，全固態(tài)電池相比于一般鋰離子電池，能量密度可以有一個較大幅度的提升：現(xiàn)在許多實驗室中，都已經(jīng)可以小規(guī)模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池了（一般鋰離子電池是100-220Wh/kg）。從能量密度的數(shù)據(jù)上看，或許全固態(tài)電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級到“兩天一充”。

2、優(yōu)勢之二：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(lǐng)域來說，要求從高到低是消費電子產(chǎn)品>家用電動汽車>電動公交車。如果通俗的講，就是體積能量密度高了，因此相同質(zhì)量的電池才能做的體積更小。電子產(chǎn)品中的可用空間往往很有限，很多產(chǎn)品（例手機、平板電腦）有近1/3左右的體積和質(zhì)量已經(jīng)被電池占據(jù)，而且在廣大生產(chǎn)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(shè)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(chǎn)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(zhì)量。而如果把它們用固態(tài)電解質(zhì)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(zhì)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(shù)是電池小型化，薄膜化的必經(jīng)之路。不僅如此，很多經(jīng)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(lǐng)域中。能夠制成體積非常小的電池也是全固態(tài)電池技術(shù)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(shè)備的應用，而在這一點上傳統(tǒng)的鋰離子電池的技術(shù)是很難達到的。

3、優(yōu)勢之三：柔性化的前景

全固態(tài)電池可以經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(shè)備為代表的柔性電子器件是下一代電子產(chǎn)品發(fā)展的重要方向，而這就要求該產(chǎn)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。

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(jīng)過電池材料結(jié)構(gòu)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。

4、優(yōu)勢之四：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(zhì)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(zhì)，以及電子產(chǎn)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(guān)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。目前普通鋰離電池的安全性的影響因素主要有：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(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會加劇；3）電池質(zhì)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。

而如果采用了全固態(tài)電池技術(shù)，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(lǐng)域發(fā)展的最根本驅(qū)動力之一。

以上說了全固態(tài)電池的種種優(yōu)點。在這里也必須介紹一下全固態(tài)電池的幾個缺點。

5、問題之一：快充不現(xiàn)實

固態(tài)電解質(zhì)電導率總體偏低，低于它們的“前輩”——液態(tài)電解液。這就導致了目前全固態(tài)電池的倍率性能整體偏低，內(nèi)阻較大，高倍率放電時壓降較大，如果想指望該類技術(shù)能在近期解決電池快充的問題，基本上是不可能的。

當然了，固態(tài)電解質(zhì)的電導率隨著溫度上升也會有明顯的提高，所以這就導致了一個有趣的現(xiàn)象，就是全固態(tài)電池最好或者說必須在高一點的溫度下工作，才能發(fā)揮良好的性能。因此目前市面上有些使用全固態(tài)電池的產(chǎn)品，實際上都不是在室溫下工作的。

6、 問題之二：成本依然偏高，制備工藝復雜，技術(shù)不夠成熟

目前的全固態(tài)鋰電池的電解質(zhì)主要有有機和無機兩大體系，成本總體偏高，尤其是無機體系的電池很多采用CVD/PVD等復雜的工藝制備，生產(chǎn)（沉積薄膜）速度慢，成本昂貴，單體電池容量很小，往往只適合做小型電子器件用的電池。因此現(xiàn)在的全固態(tài)電池如果要和普通鋰離子電池在傳統(tǒng)市場上競爭，并沒有太大的優(yōu)勢。發(fā)揮全固態(tài)電池本身高安全性、高溫穩(wěn)定性、可能達到的柔性等其它多功能特性，與傳統(tǒng)鋰離子電池在差異化的市場中競爭，可能是全固態(tài)電池近期內(nèi)比較有希望的市場突破方向。

典型的全固態(tài)電池，容量只有1.0mAh，只能給小型電子產(chǎn)品供電，不僅如此，全固態(tài)電池現(xiàn)在的制備技術(shù)成熟度總體一般，能形成規(guī)模產(chǎn)能的企業(yè)非常有限，技術(shù)規(guī)?；瘮U產(chǎn)需要克服的困難還有很多，仍處于推廣發(fā)展期。但是可以預期的是，隨著研發(fā)和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，全固態(tài)電池中的科學和工藝上的問題會逐漸得到緩解，在未來幾年，該類產(chǎn)品的市場會迎來蓬勃發(fā)展的機遇。

鋰電池容量的減損能在鋰電池充放電和自放電過程中表達出來：

1、鋰電池一次完整的循環(huán)每增加一次，充電時間就會減少一點。鋰電池的充電平臺在3.7V~4.2V，該階段充入容量占總充電量的90%以上，隨著循環(huán)次數(shù)增加，電壓上升速度加快，充滿電后鋰電池容量就會有所減少。

2、鋰電池的放電平臺在4.1V~2.75V（單節(jié)鋰電池放電電壓最低為2.75V），該階段放電容量占到總?cè)萘康?0%以上，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，鋰電池的放電平臺降低，放電容量亦隨之降低。

3、鋰電池自放電的電量占鋰電池總電量的比例隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加大，但使鋰電池放電平臺加速降低。

鋰離子電池的壽命減少表現(xiàn)為容量衰退的特點說明：鋰電池的壽命終歸是有限的，這與任何事物的發(fā)展都要是一樣的，容量衰退是量變到質(zhì)變的一種表現(xiàn)形式。從這種表現(xiàn)中可以看出，延長鋰電池壽命的方法無疑都從科學充放電和減少自放電的角度來考慮，在使用過程中的損耗會直接影響到電池的壽命。

如果想要鋰電池壽命發(fā)揮到最佳，那么消費者們一定要懂得“鋰電池”的三大禁忌！

第一、溫度：鋰電池怕高溫。

第二、大電流：比如18650電芯是3C放電，你電動車是8000W的，用的電芯低于你的電動車放電電流，這樣會導致鋰電池溫度過高，電流過大而壽命變短，還會出現(xiàn)鼓包報廢的情況，如果你的電動車功率非常大，速度非?？?，建議選擇10C電流的18650電芯，這樣選擇合適的電芯顯然非常重要！

第三、滿電存放：拿三元鋰來說，電滿電是4.35V，目前市面上的保護板都是4.2V就截止充電，所以很多人買到電動車鋰電池都說沒有標稱的容量多，其實就是這個原因，一般長時間存放電動車鋰電池，充滿半分之50的電視最好的，比如你買新手機，很多都是開機百分之50的電量。如果滿電存放時間長，會讓鋰電池容量減少。磷酸鐵鋰和鈦酸鋰除外，這兩種是可以滿電存放的，還需要注意的就是選擇品質(zhì)較好的保護板，鋰電池最大的禁忌就是過沖過放，三元鋰一次過放就報廢，過沖必定鼓包也報廢。