固态锂离子电池的结构及优缺点

所谓的固态锂离子电池就是不管电极和电解液都是固态形式的。目前市面上普遍使用的锂离子电池都是采用液态或者聚合物电解质材料的。

将固体锂薄膜二次电池按照阳极、电解液、阴极的顺序在基底上制备成薄膜，封装成电池。在制备过程中，要使用相应的技术来制备电池的各个薄膜层。一般来说，负极多采用金属锂，采用真空热沉积（VD）技术制备。电解液和正极包括氧化物负极可以采用多种溅射技术，如射频溅射（RFS）、射频磁控溅射（RFMS）等。

固态锂离子电池的结构

固态锂电池从宏观方面看，也是由固态正电极材料、固态电解质、固态负电极材料构成的，其工作原理和液态锂电池类似。

固态电池正电极材料是活性物质，其作用是大量地集合锂正离子；在化学电势作用下正离子失去电子，电子由外电路流向负电极；失去电子的锂离子通过固态电解质游离向负电极；固态负电极材料的作用是大量地嵌入失去电子的锂离子，这些失去电子的负离子在负电极与电子结合之后的正离子又向正电极游离；固态电解质的作用是让锂离子在正负电极之间顺利地传导。简单地说，固态锂电池也是仅仅依靠锂离子在正负极之间的移动来实现充放电过程的。

上图是目前固态锂电池的基本结构，其中的缓冲层是为了让固态电极和固态电解质能够有效地相容结合所使用的；隔离层是为了防止内部的正负极短路而设置的，如果技术再进步，就可以去掉隔离层。简单地说，固态锂电池和液态锂电池在宏观结构方面是一样的，根本的区别在于电解质是固态的。

上图所示的含有隔离层的称为准固态电池，没有隔离层的称为全固态电池。目前研发生产的是准固态电池，文中简称为固态电池。

当然，固态锂电池与液态锂电池比较，其优势在于：

①完全消除了电解液腐蚀和泄露的安全隐患，热稳定性更高，不会发生燃爆问题；

②电池单体的电压可达5V以上 ，能量密度也较高，可以匹配高电压电极材料；

③固体电解质是单离子导体，不存在副反应，电池使用寿命更长。

④电池由固体功能块拼装，不仅能够减轻重量而且能够降低生产成本。

也正是固态电解质的原因，固态锂电池在材料选择和加工方面都产生了新的要求：

①“固态电解质”要求能够在室温下具有高电导率和电化学稳定性；

②正负电极材料要求能够满足高能量密度，材料的热稳定性好；

③在固态电极和固态电解质的界面，要求有良好的电导率和相容性。

固态锂离子电池的优缺点

固态锂离子电池相较于传统液态锂离子电池具有以下优点：

1. 安全性提高：固态电解质具备优秀的热稳定性和耐化学腐蚀性，使得固态锂离子电池在高温和外力冲击等极端条件下更加安全可靠。相比之下，传统液态电池存在液体电解质泄漏和燃烧爆炸等安全隐患。

2. 能量密度提升：固态电池采用锂金属作为负极材料，相比传统碳基负极材料，能够实现更高的能量密度，提供更长的续航里程。

3. 充电速度加快：固态电解质具备更高的离子导电性能，能够支持更快的充电速度。这意味着固态锂离子电池可以在更短的时间内充满，提高了充电效率和用户体验。

4. 抗寒性能优异：固态电解质相比液态电解质在低温环境下具备更好的离子导电性能，使得固态锂离子电池在极寒地区或低温应用场景下表现更为出色。

然而，固态锂离子电池目前仍面临一些挑战和缺点：

1. 成本较高：固态电池的制造成本相对较高，包括高纯度材料、复杂的生产工艺和设备要求等。这导致固态锂离子电池的商业化应用面临一定的挑战。

2. 界面问题：固态电池的界面稳定性对电池性能和寿命起着关键作用。当前固态电池还面临着界面不稳定、电极容量衰减等问题，需要进一步的研究和改进。

3. 寿命和循环性能：固态电池的寿命和循环性能仍需要进一步提高。目前，固态锂离子电池在长周期循环中可能存在电极极化、离子界面阻抗增大等问题。

固态锂离子电池作为下一代电池技术，具备广阔的应用前景和诸多优势，但仍需要进一步的研发和改进来克服存在的技术挑战。

在制备工艺上，由于目前的固态电解质膜弹性较差，固态电池组装比缠绕工艺更倾向于分层，但细分工艺未知。在制造设备方面，固态电池虽然与传统的锂离子电池有很大的不同，但除了在涂装、包装等过程中要定制设备，制造环境要在要求更高的干燥室中进行外，并没有本质的不同。

审核编辑：黄飞