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固态锂电池：采用固体电解质替代电解液和隔膜

液态锂离子电池中电解液体系为锂离子在正负极之间传输提供通道。传统液态锂离子电池，构成部分有正极、负极、电解液、隔膜。正、负极材料是能够可逆嵌入和脱出锂离子的化合物，同时保证在脱嵌过程中保持结构稳定。正极材料提供锂离子，很大程度上决定电池能量密度，负极材料作为锂的载体。电解液起到的作用是具备离子导电性，作为正负极之间传输锂离子的通道。隔膜作为电子绝缘体，起到隔离正负极，防止电池短路的作用，同时隔膜具有微孔结构，为电解液和锂离子正常穿梭提供通道。液态锂离子电池的工作原理是锂离子随着充放电过程的进行，在正负极间的电解质中来回穿梭，并可逆地在电极上脱嵌，电子在外电路中传递，形成充放电电流。

固态锂电池采用固体电解质替代电解液和隔膜。一方面，固体电解质具备离子导电性，能够替代传统电解液，起到在正负极之间传输锂离子的作用;另一方面，固体电解质同时具备电子绝缘性，可以替代隔膜，隔绝正负极，防止短路。此外，根据负极材料的不同，又可以分为固态锂离子电池和固态金属锂电池，前者负极材料主要是石墨基、硅碳材料等可以嵌锂的材料，后者负极材料主要是指金属锂。

液态锂电池：安全性能和能量密度存在隐忧

液态锂电池的安全隐患不容忽视

锂电池未来的聚焦主要在于两方面，安全性能和能量密度。首先，安全问题可能成为未来液态锂电池发展道路上最大的障碍，其安全隐患主要来自两方面:

溶剂具有易挥发、低闪点的特点，导致电解液的易燃性。液态锂离子电池采用的基本都是碳酸酯溶剂，主流溶剂有碳酸二甲酯(DMC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)等，基本都有挥发性强、闪点低的特点。在较高温度下易燃易爆，有一定毒性(碳酸酯溶剂有一定的致癌性)，同时液体状态在暴力冲击下容易漏液。电解液溶剂的性质，决定了一般常规锂电池长时间工作温度需要低于55°C-60°C，即使是采用特殊配方的高温电解液，使用温度一般也不超过65°C。

负极表面容易形成枝晶，刺穿隔膜，造成正负极短路，导致电池起 火。液态锂离子电池普遍采用石墨作为负极，当负极表面不均匀时，在多次充放电循环过程中容易导致多余的锂在负极表面富集堆积，形成树枝状的锂枝晶。锂枝晶生长到一定的程度，可能刺穿具有微孔结构的隔膜，连接到正极极片，造成正负极短路。另一方面，新暴露在电解液中的锂枝晶会不断被电解液腐蚀，消耗电解液，降低电池循环寿命和容量。

液态锂电池在3C、动力电池等领域频繁发生起 火爆 炸等安全事故。由于液态锂电池具备以上因素带来的安全隐患，小到手机、笔记本电脑等3C电池，大到动力电池，均出现过起 火爆 炸等安全事故。主要引起安全事故的原因有过充、不恰当使用等导致电池温度过高，受到外部猛烈的碰撞、挤压导致电解液外溢，电池内部短路导致起 火，电池胀气、电解液外溢等。

固态锂电池的比较优势:安全性能和能量密度更高

安全性能高:固体电解质具备高热稳定性和致密性

固态锂电池可从根本上解决液态的安全隐患。全固态锂电池采用固体电解质，固体电解质一般由有机、无机化合物合成，熔点、沸点均较高，大部分材料不可燃，不含有任何低闪点、易燃易爆的有机溶剂，解决了电解液的易燃性。

同时，固体电解质薄膜致密无孔，机械强度较高，有效抑制负极锂枝晶刺穿造成短路的问题。在热稳定性和电化学稳定性方面也比电解液更好，能够承受住实际使用过程中出现的极端情况，比如碰撞、挤压等，极大的提升了锂电池的安全性能。

能量密度高:可采用金属锂做负极，有望提升40%-50%能量密度

金属锂比容量高，接近石墨负极的10倍。锂金属具备极高的容量，理论值达到3860mAh/g;石墨的理论容量只有372mAh/g，目前能实现的可逆容量有365mAh/g，高容量的硅基负极材料容量能达到1000-1500mAh/g，但在脱嵌过程中会发生较大的体积膨胀和收缩，实际中很难有效发挥出来，仅能达到420-450mAh/g。金属锂即使只发挥出50%的有效容量，也远高于石墨和硅基负极。虽然真正决定电池容量的材料是正极，但负极容量越高，越可以有效减少单位Wh负极材料的使用量，提升体积和质量能量密度。

金属锂负极不适用于液态锂电池。金属锂本身可以充当“锂源”，是非常理想的负极材料。最早在20世纪60至70年代，学术界便开始研究金属锂做负极的锂电池。但由于采用电解液，存在较大问题难以解决，即循环过程中会形成锂枝晶，刺穿隔膜导致短路，同时锂枝晶与电解液反应，循环寿命衰减严重，导致学术界转而研究比容量更低的碳作为嵌锂的负极材料。

固态锂电池可以使用金属锂作负极，相同正极体系下能量密度有望提升50%以上。在使用固体电解质的同时，可以采用目前的正负极材料体系，由于固体电解质较高的机械强度和韧性，以及致密的薄膜结构的特点，可以直接采用金属锂做负极，有效防止电解液对金属锂的腐蚀，锂枝晶刺穿隔膜导致短路的问题，有望在当前正极材料体系下，进一步提升电芯能量密度。

固态锂电池提升电池PACK能量密度，降低电池成本。传统液态锂电池由于内部含有流动的电解液，在电芯生产环节中，需要将多个正极/隔膜/负极片并联后，注入电解液，封装，焊接集流体接头。下一步电池PACK生产环节中，再将已封装好的多个电芯串联，同时由于高温下易燃易爆的电解液存在，需要额外添加冷却系统。

全固态锂电池制备过程中，由于不存在流动的电解液，电芯生产环节中，可以多层正极/固体电解质/负极材料致密堆积，串联叠加之后再封装焊接，节省电池内部空间，提高单体电芯的电压和能量密度。在电池PACK生产环节中，将单体电芯外部并联。由于固体电解质热稳定性较高，甚至在高温下电导率更优异，因此不需要额外添加冷却系统，在能量密度和成本上都具备一定的优势。

应用范围宽：固体电解质可用温度范围更为宽泛

液态锂电池的工作温度主要受限于电解液闪点低、隔膜的融化温度低，一般最高使用温度只能到65°C左右。固体电解质的分解温度普遍较高，聚合物有机固体电解质一般使用温度超过150°C，无机固体电解质最高温度有望提升到300°C，较大的拓宽了锂电池在高温领域的应用，未来有望在航空航天、石油勘探、地下钻井等极端环境下采用锂电池替代当前的一次原电池。此外，由于固体电解质的低温离子电导率普遍较低，目前大量的研究集中在低温电导率的改进上，未来有望实现对液态锂电池宽温度范围内的全面替代。

设计多样化：固态制备工艺简化，可设计为柔性电池

由于电解液具有流动性，在电池的外部形态、内部结构设计方面，都会受到一定的限制。固体电解质减少了注液的步骤，制备工艺简化，电池设计多样化，可以卷对卷生产，同时可设计为柔性电池，在未来可穿戴设备时代，将有较大的空间。

固态锂电池未来有望实现大规模商业化应用

America LUX Research预测固体锂电池有望在2020-2030年期间实现技术突破。由于液态锂离子电池面临安全性能和能量密度方面的双重瓶颈限制，固体锂电池、锂硫电池、锂空气电池已经成为下一代电池领域的研究热点。America LUX Research研究数据预测，固体锂电池在经历2013-2020年期间相对平稳的基础理论研究之后，2020-2030年有望实现技术上较大突破，商业价值潜力有望快速提升。

固体电解质：固态锂电池的核心材料

固体电解质是全固态锂电池的核心组成部分，是实现高能量密度、高循环稳定性和高安全性能的关键材料，固体电解质又称为快离子导体，或者是超离子导体。

影响固体电解质性能的关键指标分析

目前学术界对固体电解质的研究热度迅速提升，固体电解质的产业化道路之所以还停留在科研-中试阶段，关键在于以下几个指标还有望进一步提升。

离子电导率:固体电解质离子电导率低，是阻碍其商业化应用的主要瓶颈之一。电解质作为正负极之间传导锂离子的介质，传导锂离子的速度成为关键。离子电导率的高低直接影响了电池的整体阻抗和倍率性能，聚合物固体电解质的电导率普遍较低，硫化物无机固体电解质的离子电导率相对比较高。

锂离子迁移数:与有机电解液类似，聚合物电解质也存在双离子(锂盐中的阴离子和阳离子)同时传导的问题，离子电导率并不