所謂的固態(tài)鋰離子電池就是不管電極和電解液都是固態(tài)形式的。目前市面上普遍使用的鋰離子電池都是采用液態(tài)或者聚合物電解質(zhì)材料的。

將固體鋰薄膜二次電池按照陽極、電解液、陰極的順序在基底上制備成薄膜，封裝成電池。在制備過程中，要使用相應(yīng)的技術(shù)來制備電池的各個薄膜層。一般來說，負(fù)極多采用金屬鋰，采用真空熱沉積（VD）技術(shù)制備。電解液和正極包括氧化物負(fù)極可以采用多種濺射技術(shù)，如射頻濺射（RFS）、射頻磁控濺射（RFMS）等。

固態(tài)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)

固態(tài)鋰電池從宏觀方面看，也是由固態(tài)正電極材料、固態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)負(fù)電極材料構(gòu)成的，其工作原理和液態(tài)鋰電池類似。

固態(tài)電池正電極材料是活性物質(zhì)，其作用是大量地集合鋰正離子；在化學(xué)電勢作用下正離子失去電子，電子由外電路流向負(fù)電極；失去電子的鋰離子通過固態(tài)電解質(zhì)游離向負(fù)電極；固態(tài)負(fù)電極材料的作用是大量地嵌入失去電子的鋰離子，這些失去電子的負(fù)離子在負(fù)電極與電子結(jié)合之后的正離子又向正電極游離；固態(tài)電解質(zhì)的作用是讓鋰離子在正負(fù)電極之間順利地傳導(dǎo)。簡單地說，固態(tài)鋰電池也是僅僅依靠鋰離子在正負(fù)極之間的移動來實現(xiàn)充放電過程的。

上圖是目前固態(tài)鋰電池的基本結(jié)構(gòu)，其中的緩沖層是為了讓固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)能夠有效地相容結(jié)合所使用的；隔離層是為了防止內(nèi)部的正負(fù)極短路而設(shè)置的，如果技術(shù)再進(jìn)步，就可以去掉隔離層。簡單地說，固態(tài)鋰電池和液態(tài)鋰電池在宏觀結(jié)構(gòu)方面是一樣的，根本的區(qū)別在于電解質(zhì)是固態(tài)的。

上圖所示的含有隔離層的稱為準(zhǔn)固態(tài)電池，沒有隔離層的稱為全固態(tài)電池。目前研發(fā)生產(chǎn)的是準(zhǔn)固態(tài)電池，文中簡稱為固態(tài)電池。

當(dāng)然，固態(tài)鋰電池與液態(tài)鋰電池比較，其優(yōu)勢在于：

①完全消除了電解液腐蝕和泄露的安全隱患，熱穩(wěn)定性更高，不會發(fā)生燃爆問題；

②電池單體的電壓可達(dá)5V以上 ，能量密度也較高，可以匹配高電壓電極材料；

③固體電解質(zhì)是單離子導(dǎo)體，不存在副反應(yīng)，電池使用壽命更長。

④電池由固體功能塊拼裝，不僅能夠減輕重量而且能夠降低生產(chǎn)成本。

也正是固態(tài)電解質(zhì)的原因，固態(tài)鋰電池在材料選擇和加工方面都產(chǎn)生了新的要求：

①“固態(tài)電解質(zhì)”要求能夠在室溫下具有高電導(dǎo)率和電化學(xué)穩(wěn)定性；

②正負(fù)電極材料要求能夠滿足高能量密度，材料的熱穩(wěn)定性好；

③在固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)的界面，要求有良好的電導(dǎo)率和相容性。

固態(tài)鋰離子電池的優(yōu)缺點(diǎn)

固態(tài)鋰離子電池相較于傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 安全性提高：固態(tài)電解質(zhì)具備優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕性，使得固態(tài)鋰離子電池在高溫和外力沖擊等極端條件下更加安全可靠。相比之下，傳統(tǒng)液態(tài)電池存在液體電解質(zhì)泄漏和燃燒爆炸等安全隱患。

2. 能量密度提升：固態(tài)電池采用鋰金屬作為負(fù)極材料，相比傳統(tǒng)碳基負(fù)極材料，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能量密度，提供更長的續(xù)航里程。

3. 充電速度加快：固態(tài)電解質(zhì)具備更高的離子導(dǎo)電性能，能夠支持更快的充電速度。這意味著固態(tài)鋰離子電池可以在更短的時間內(nèi)充滿，提高了充電效率和用戶體驗。

4. 抗寒性能優(yōu)異：固態(tài)電解質(zhì)相比液態(tài)電解質(zhì)在低溫環(huán)境下具備更好的離子導(dǎo)電性能，使得固態(tài)鋰離子電池在極寒地區(qū)或低溫應(yīng)用場景下表現(xiàn)更為出色。

然而，固態(tài)鋰離子電池目前仍面臨一些挑戰(zhàn)和缺點(diǎn)：

1. 成本較高：固態(tài)電池的制造成本相對較高，包括高純度材料、復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和設(shè)備要求等。這導(dǎo)致固態(tài)鋰離子電池的商業(yè)化應(yīng)用面臨一定的挑戰(zhàn)。

2. 界面問題：固態(tài)電池的界面穩(wěn)定性對電池性能和壽命起著關(guān)鍵作用。當(dāng)前固態(tài)電池還面臨著界面不穩(wěn)定、電極容量衰減等問題，需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

3. 壽命和循環(huán)性能：固態(tài)電池的壽命和循環(huán)性能仍需要進(jìn)一步提高。目前，固態(tài)鋰離子電池在長周期循環(huán)中可能存在電極極化、離子界面阻抗增大等問題。

固態(tài)鋰離子電池作為下一代電池技術(shù)，具備廣闊的應(yīng)用前景和諸多優(yōu)勢，但仍需要進(jìn)一步的研發(fā)和改進(jìn)來克服存在的技術(shù)挑戰(zhàn)。

在制備工藝上，由于目前的固態(tài)電解質(zhì)膜彈性較差，固態(tài)電池組裝比纏繞工藝更傾向于分層，但細(xì)分工藝未知。在制造設(shè)備方面，固態(tài)電池雖然與傳統(tǒng)的鋰離子電池有很大的不同，但除了在涂裝、包裝等過程中要定制設(shè)備，制造環(huán)境要在要求更高的干燥室中進(jìn)行外，并沒有本質(zhì)的不同。

審核編輯：黃飛