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全固态锂离子电池到底是个什么鬼？
今天就跟大家简单聊聊全固态锂离子电池的现状和未来，一起看看全固态锂离子电池到底是个什么鬼。
日前有海外媒体报道称，宝马正在研发一款更为先进的锂离子电池，这款电池将用固态电解质代替现有的电解液，更轻、更安全、密度更高。据悉，新电池的量产时间或为2026年。看到这则新闻之后第一个想到的就是BMW什么时候才能学会我朝的一贯作风啊？2026年还有9年时间呢，最差也要说(chui)是(niu)2020年量产让我等先兴奋几分钟吧？先开个玩笑，下面言归正传。新闻里讲的更为先进的电池就是传说中的全固态锂离子电池。今天就跟大家简单聊聊全固态锂离子电池的现状和未来，一起看看全固态锂离子电池到底是个什么鬼。1. 与传统锂离子电池的基本区别图1 液态锂离子电池(左)，固态锂离子电池(右)所谓全固态锂离子电池简单来说就是指电池结构中所有组建都是以固态形式存在，而如今传统的商业化的锂离子电池则是液态锂离子电池即电解液是液态溶液状。具体来说就是把传统锂离子电池的液态电解液和隔膜替换为固态电解质，一般是以锂金属为负极，也可是石墨类及其他复合材料，结构如图1所示。1.1对比各自的优缺点如下：液态电解质优点：a.工业化自动化程度高; b.较好的界面接触; c.充放电循环电极膨胀相对可控; d.单位面积的导电率高缺点：a.易挥发易燃烧的电解质导致其安全/热稳定性较差; b.依赖于形成SEI膜;&c.锂离子和电子可能同时传导。全固态电解质优点：a.高安全/热稳定性(针刺和高温稳定性极好，可长期正常工作在60-120℃条件下); b.可达5V以上的电化学窗口，可匹配高电压材料; c.只传导锂离子不传导电子; d.由于固态电解质存在可以在电池内串联组成高电压的单体电池; e.简化冷却系统，提高能量密度; e.可使用在超薄柔性电池领域缺点：a.充放电过程中界面应力受影响; b.单位面积离子电导率较低，常温下比功率差; c.成本极为昂贵(1mAh成本为25美金);d.工业化生产大容量电池有很大困难图2全固态电池的安全性能
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*验 证 码：【TechWeb报道】最近美国专利商标局公布了一项苹果申请的技术，这款项技术相比以往的描述更简单一些，就是针对便携设备的固态电池。
也许大家会表示奇怪，固态电池技术是什么意思？实际上苹果很早就开始研发了，苹果眼中的固态电池技术可以让电池的能量密度更高，安全性更高，并且有一定柔性，非常适合在手机和穿戴式设备上面使用，尤其是Apple Watch。
全固态电池就是里面没有气体、没有液体，所有材料都以固态形式存在的电池。锂电池有很小的几率会发生鼓胀，比较危险，而且锂电池的工作温度范围有限，高温或者低温下寿命容易收到影响，对安全也有影响。全固态电池就要好得多。苹果的新专利 全固态电池到底是一种什么样的技术？
【编者按】本文作者刘冠伟，清华大学能源互联网创新研究院博士，副研究员/高级工程师。
在今年的11月份，美国专利商标局公布了苹果公司一项与固态电池充电技术相关的新专利，这次是便携设备的固态电池充电技术。
（图片来自patentdocs)
实际上，自2012年来，苹果公司就已经积极开始布局全固态电池技术的专利，期待能把这种高能量密度、高安全性、有柔性潜力的新型电池用在iPad、MacBook等设备以及以后将要发展的柔性电子设备上。
那么到底全固态电池到底是一种什么样的技术，会引起苹果公司的重点关注呢？
什么是全固态电池？
如果通俗地讲，全固态电池就是里面没有气体、没有液体，所有材料都以固态形式存在的电池。而考虑到现在人们日常生活中最为常见的电池为锂离子电池，我们在这里将默认把“全固态锂离子电池”当做全固态电池的代表（暂时忽略全固态锂硫等新型电池）。
本文也会着重介绍 全固态锂离子电池（以下将全部简称为“全固态电池”）的各方面，以飨读者。
一般来说，锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液、结构壳体等部分组成，其中电解液使得电流可以在电池内部以离子形式传导。电解液技术是锂电池的核心技术之一，也是现在电池工业中利润很高的一个组成部分。
锂离子电池的结构示意图，其中Li+（锂离子）在内电路中，通过电解质（electrolyte）传导
但是很多读者可能发现过自己的锂电池用久后有的会鼓胀，而在更极端的小概率事件下，有的甚至会发生危险（比如近来的扭扭车的电池爆炸事件，导致了相关的生产企业和电池企业遇到了全面的困难）。另外一般来说，现在的锂离子电池的工作温度范围有限，在40 度以上的高温下寿命会急剧缩短，安全性能会也出现很大的问题（所以特斯拉MODEL S会有一套严格的电池温控系统，就是为此）。
实际上，以上所说的几个安全方面的问题都是与我们现在电池用的有机体系的电解液直接相关的。
而为了解决电池安全问题，提高能量密度，目前科研界和工业界都在研发以及生产全固态电池，也就是把传统的锂离子电池的隔膜和电解液，换成固态的电解质材料。那么说来说去，相比于我们生活中最常见的普通锂离子电池，全固态电池的优点主要有哪些呢？
固态电池有哪些优势？
优势之一：轻——能量密度高
使用了全固态电解质后，锂离子电池的适用材料体系也会发生改变，其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极，而是直接使用金属锂来做负极，这样可以明显减轻负极材料的用量，使得整个电池的能量密度有明显提高。
此外，许多新型高性能电极材料，可能之前与现有的电解液体系的兼容性并不好，但是在使用全固态电解质后该问题可以得到一定的缓解。
综合考虑到以上两大因素，全固态电池相比于一般锂离子电池，能量密度可以有一个较大幅度的提升：现在许多实验室中，都已经可以小规模批量试制出能量密度为300-400Wh/kg的全固态电池了（一般锂离子电池是100-220Wh/kg）。
从能量密度的数据上看，或许全固态电池真的有希望让我们的生活从“一天一充”升级到“两天一充”。
另外，电池技术的前进受到电化学规律的制约，其容量上升是有理论极限的，一般很难以一个较大的幅度产生飞越式的、颠覆式的发展。因此建议广大读者擦亮眼睛，一但发现有性能“翻一/几番”，“几分钟充满电”，“成本下降70%”一类新闻时，要加倍警觉，因为此类新闻宣传误导的嫌疑很大，而背后存在的问题往往总是避而不谈。
优势之二：薄——体积小
实际上，体积能量密度对于电池来说是一个很重要的参数，如果就应用领域来说，要求从高到低是消费电子产品&家用电动汽车&电动公交车。
如果通俗地讲，就是体积能量密度高了，因此相同质量的电池才能做的体积更小。
电子产品中的可用空间往往很有限，很多产品（例手机、平板电脑）有近1/3左右的体积和质量已经被电池占据，而且在广大生产厂商和消费者希望对电池进一步提高容量（增加续航）和压缩体积（便携美观和便于设计）的要求下，高压实、体积能量密度最高的钴酸锂（LCO）电池依然是当仁不让的主流产品。
传统锂离子电池中，需要使用隔膜和电解液，它们加起来占据了电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代（主要有有机和无机陶瓷材料两个体系），正负极之间的距离（传统上由隔膜电解液填充，现在由固态电解质填充）可以缩短到甚至只有几到十几个微米，这样电池的厚度就能大大地降低——因此全固态电池技术是电池小型化，薄膜化的必经之路。
不仅如此，很多经过物理/化学气相沉积（PVD/CVD）制备的全固态电池，其整体厚度可能只有几十个微米，因此就可以制成非常小的电源器件，整合到MEMS（微机电系统）领域中。能够制成体积非常小的电池也是全固态电池技术的一大特色，这可以方便电池适应各种新型小尺寸智能电子设备的应用，而在这一点上传统的锂离子电池的技术是很难达到的。
（现在锂离子电池各组分的(a)体积占比和(b)质量占比）
目前许多纳米材料实用的一大关键障碍就在于比表面积大，体积密度过低，导致如果基于这些材料制成产品，往往相同质量下占据体积过大，即体积能量密度偏低，完全无法满足一般工业品的要求。所以现在的纳米（电池）材料科研中往往选择了不报道这方面的参数，原因不难理解。
优势之三：柔性化的前景
全固态电池可以经过进一步的优化，变成柔性电池，从而带来更多的功能和体验。
实际上，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米级以下后经常是可以弯曲的，材料会变得有柔性。相应的，全固态电池在轻薄化后柔性程度也会有明显的提高，通过使用适当的封装材料（不能是钢性的外壳），制成的电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。实际上，以各种可穿戴设备为代表的柔性电子器件是下一代电子产品发展的重要方向，而这就要求该产品中的元件同样需要具有柔性，因此柔性全固态电池是科研与工业界中，非常有前景的明日之星。
（韩国KAIST制备的典型叠层结构的柔性全固态电池）
不仅如此，功能化的全固态电池潜力远不只以上的柔性电池，经过电池材料结构优化可以制成透明电池，或者是拉伸幅度可达300%的可拉伸电池，或是可以和光伏器件集成化的发电-存储一体化器件等等——全固态电池所意味的功能上的创新应用前景还有很多，在这方面科研人员与工程师们的想像力会给我们带来越来越多的惊喜。
（拉伸变形度可达300%全固态电池的结构示意图）
（太阳能电池和超级电容器一体集成纤维状器件示意图）
优势之四：更安全
作为一种能量存储器件，实际上所有电池在热力学实质上都不可能是绝对安全的。但是电池实际应用中的决定其真正安全性的因素是多方面的，影响因素包括电池的电极材料特性、电解液的性质，以及电子产品中的电池管理系统等。
目前一般商用的锂离子的安全性是大家关心的重点，在这里用“不够理想”来评价现在电池的安全性，应该是一个比较合适的评价。
影响普通锂离电池的安全性的因素主要有哪些？
1）电极材料特性，比如在大电流下工作有可能出现锂枝晶，从而刺破隔膜导致短路破坏；
2）电解液为有机液体，在高温下发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧；
3）电池质量参差不齐，尤其是小厂家的电池安全性能不达标；
4）电池管理系统不合格，造成电池的过充放，导致危险的发生。
（用剪刀减掉电池一角后，仍然能够安全、正常工作的柔性全固态电池）
而如果采用了全固态电池技术，以上的1和2两点问题就可以直接得到解决，而且所得的电池的最高工作温度可以从现在的40度提升到更高，这样就可以使电池的适应工作温度区间更宽，应用范围也会更广。 安全性，其实是全固态电池领域发展的最根本驱动力之一。
以上说了全固态电池的种种优点。实际上，这个世界上没有完美无缺的事物，对于一种技术的报道我们认为不应该只报喜，不报忧。因此在这里也必须介绍一下全固态电池的几个缺点。
固态电池的缺点
问题之一：快充不现实
缺点一就是 固态电解质电导率总体偏低，低于它们的“前辈”——液态电解液。这就导致了目前全固态电池的倍率性能整体偏低，内阻较大，高倍率放电时压降较大，如果想指望该类技术能在近期解决电池快充的问题，基本上是不可能的。
当然了，固态电解质的电导率随着温度上升也会有明显的提高，所以这就导致了一个有趣的现象，就是 全固态电池最好或者说必须在高一点的温度下工作，才能发挥良好的性能。因此目前市面上有些使用全固态电池的产品，实际上都不是在室温下工作的，最典型的例子就是法国已经在运行的3000余辆使用全固态电池的出租车（电芯能量密度可以达到260Wh/kg，优于现在商用的普通锂离子电池）。
问题之二：成本依然偏高，制备工艺复杂，技术不够成熟
目前的全固态锂电池的电解质主要有有机和无机两大体系，成本总体偏高，尤其是无机体系的电池很多采用CVD/PVD等复杂的工艺制备，生产（沉积薄膜）速度慢，成本昂贵，单体电池容量很小，往往只适合做小型电子器件用的电池。
因此现在的全固态电池如果要和普通锂离子电池在传统市场上竞争，并没有太大的优势。发挥全固态电池本身高安全性、高温稳定性、可能达到的柔性等其它多功能特性，与传统锂离子电池在差异化的市场中竞争，可能是全固态电池近期内比较有希望的市场突破方向。
（典型的全固态电池，容量只有1.0mAh，只能给小型电子产品供电）
不仅如此，全固态电池现在的制备技术成熟度总体一般，能形成规模产能的企业非常有限，技术规模化扩产需要克服的困难还有很多，仍处于推广发展期。但是可以预期的是，随着研发和工业技术的不断发展，全固态电池中的科学和工艺上的问题会逐渐得到缓解，在未来几年，该类产品的市场会迎来蓬勃发展的机遇。
目前全固态电池主要可以用于电子器件、电动汽车、RFID、植入式医疗设备、无线传感器等，主要应用于微电池领域。在汽车动力电池领域也有，但是受制于技术发展水平，应用要少一些。
现在已经有许多start-ups以及传统工业巨头公司投入到了全固态电池行业中。
以美国Seeo公司为例，该公司一直从事全固态电池的研发和生产，目前最先进的电池能量密度已经达到350Wh/kg，在今年9月，德国汽车工业巨头BOSCH已经完成了对该公司的收购。不仅如此，Sakti3、Cymbet Corporation、Prologium、包括丰田公司等等，在全固态电池的研发生产方面也倾注了很多精力，苹果公司也在全固态电池方向做了专利布局， 这说明这些大公司是普遍非常看好全固态电池技术的。
总体来说，全固态电池是电池科研与工业界公认的下一步电池发展的主流方向已经没有悬念，但是具体到固态电解质的电导率、电池倍率、电池制备效率、成本控制方面，全固态电池仍然有一段路要走。因此从近期来看，全固态电池在一些细分的电子器件产品领域首先取得突破，赢得消费者认可是比较可行的。而在远期，随着技术的发展，相信全固态电池必将能够发挥其能量密度高、安全性高等一系列优点，走入人们的生活，成为推动人类文明发展的重大力量。
[1] S. Dillon et. Al. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. ), 153-162.
[2] 中国工程院院士陈立泉：把握下一代电池技术方向，布局全固态电池
[3] M. Koo et. al. Nano Lett. 10-4816.
[4] T. Chen et. al. Sci. Rep. 2014. DOI: 10.1038/srep03612.
[5] S. Xu et. al. Nat. Comm. 2013, DOI: 10.1038/ncomms2553.
【作者介绍】刘冠伟，男，博士，副研究员/高级工程师，03-07年就读于北京理工大学材料学院，07-12年就读于清华大学材料学院，获得工学博士学位，11年曾赴德国TU Darmstadt交流学习电化学。于15年10月入职清华大学能源互联网创新研究院，主要负责储能技术开发方面的工作。
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今日搜狐热点新全固态电池真的这么牛逼吗？
[ 新全固态电池真的这么牛逼吗？的浏览量：38次，文章来源：http://www.packwang.com，作者：PACK锂电池之家 ]
全固态电池主要是指新全固体形态电池，是一种使用固体电极和固体电解液的电池，生产厂家认为全新固态电池优点比较多，关健是1块固态电池可以顶3块锂电池使用，这么牛的固态电池究竟什么时候可以商用呢？现在很多大牛都在看固态电池，那么我们随PACK电池网一起来先看看全固态电池的优点有那些吧：1、全固态电池安全性高。液态电解质易燃易爆，以及在充电过程中锂枝晶的生长容易刺破隔膜，引起电池短路。而固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，也克服了锂枝晶现象，因而全固态电池具有极高安全性。2、固态电池能量密度高，可提供的能量密度基本可达300-400Wh/kg。固态电池电解质能阻隔锂枝晶生长，材料适用范围更大，为具有更高能量密度空间的新型锂电池技术奠定基础。3、固态电池循环性能强。固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜的问题和锂枝晶现象（锂枝晶是指采用液态电解质的锂电池在充电时，锂离子还原时形成的树枝状金属锂单质。），大幅提升循环性和使用寿命，充电次数可达45000次左右。4、固态电池应用范围扩大。固态电解质赋予固态锂电池结构紧凑、规模可调、设计弹性大等特点，从驱动微型电子器件到大型动力和储能领域都能用。同时它可以达到的常规温度，全固态电池工作环境在-25℃—60℃的温度范围也拓展了其适用范围，达到了锂电池工作温度。一、全固态电池的又一个新闻真是大了：1、关于全固态电池近期本田公司新闻发言人建部辉彦(Teruhiko Tatebe)在接受路透社采访时表示，他们正在考虑为电动汽车开发全固态电池技术，同时并未与其他厂商共同开发该项目。众所周知，本田在新能源领域有不少黑科技，与丰田齐头并进走在新能源市场的前列！不过与丰田不同的是，丰田把技术无偿分享给合作厂商，而本田却声明并未与其他厂商共同开发项目，其中细节耐人寻味！随着各国国家政策的不断鼓励新能源产业发展壮大，越来越多传统车企开始把目光从压榨燃效转向电池的容量和电机的扭矩。要想扩充电池容量，改良甚至创新电池材质，是最显著的方法，但研发费用却是无底洞。2、固态电池中的全固态电池问题其实本田并不是开发全固态电池的第一人，世界各地的研究人员都走在将固态电池商业化的路上。全固态锂电池的固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液的特性，决定了其极高的安全性，同时也克服了锂枝晶现象，克服了实验数据可以证明的话就真的不错了，因为全球变暧的时候可以用得到这些，理论上搭载全固态锂电池的汽车的自燃概率会大大降低。全固态锂电池当前能量密度约400Wh/Kg，预估最大潜力值达900Wh/Kg。然而凡事都有两面，固态电解质极高的安全性使得其自身电阻值很大，在电池能量密度方面还存在一些尚未解决的问题，还需研究人员寻找更加适合的固态电解质、正负极材料，而一旦这些问题能够有效解决，必将在未来掀起一场新的电池革命。二、全固态电池真的能取代锂电池吗？1、丰田之前已经向公众宣布计划于2020年用固态电池取代锂电池的宏伟目标，还说其固态电池能量密度是锂电池的三到四倍，根据丰田负责材料工程高管铃木茂树(Shigeki Suzuki)的说法，丰田将于2020年全面实现全固态电池商业化，目前的做法似乎适合松下合作开发！2、在电池行业可以想见的未来，电池竟然有多激烈，越来越多的车企投身于新能源汽车以及周边配套产品的研发与投入，全固态电池对于消费者可以更好地完善产品，但对于企业来讲，全固态电池情况就要复杂许多！三、全固态电池基本常识分享。1、全固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池。固态电池一般功率密度较低，能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高，所以它是电动汽车很理想的电池 。1991年索尼公司将含有液态电解质的锂离子电池带入电子设备的应用至今，2010年，丰田曾推过续航里程可超1000公里的固态电池组，但是不知道用固态电池来做成又会是什么样电性能呢？可我们知道而包括QuantumScape以及Sakti3所做的努力也都是在试图用固态电池来取代传统的液态锂电池。2006年申请破产的加拿大Avestor公司也曾尝试过研发固态锂电池，他们使用一种高分子聚合物分离器，代替电池中的液体电解质，但以失败告终。2、固态锂电池在传统的液态锂电池内部，锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中，电池的充放电过程便完成了。固态电池相较于此，电解质成了固态，具有的密度以及结构可让更多带电离子聚在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量。因此，同样的电量，固态电池体积将变得更小。另外，固态电池没有电解液，更易封存，在汽车等大型设备上使用时，也不需再额外增加冷却管、电子控件等，不仅节约成本，还减轻了重量。PACK电池网认为全固态电池暂时取代不了真正的锂电池，但是全固态锂电池的发展向没有变，毕竟全固态电池在后绪的改进中或真的可以替代锂电池，也曾说过但那不是现在我们电池消费者考虑的事儿，这些交给真正的全固态电池厂的科学家，让电池实验室里多次研究测试来证明全固态电池的商用问题吧，查看网站地图，可以了解更多相关的锂电池和全固态电池。
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