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引言 鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池，手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池，而真正的鋰電池由于危險性大（使用過程中可能發生爆炸），故很少應用于日常電子產品。鋰離子電池是指分別用兩個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次電池，鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li 從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。 鋰電主要正極、負極、電解質、隔膜構成，一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現代高性能電池的代表。鋰離子電池的核心是正極材料，其容量與電池的成本決定了電池綜合性能的優良與否，以及鋰離子電池的商業化進程。因此，能否研制出性能良好的正極材料正是鋰離子電池研制的關鍵。以正極材料LiCoO2，負極材料石墨，電解質LiPF6-EC DMC為例，鋰離子電池的電化學表達式為： （—）C|LiPF6-EC DMC|LiCoO2（ ） 電池放電時的正極反應為： LiCoO2 → Li1-xCoO2 xLi e-
放電時的負極反應為： xe- xLi 6C → LixC6 總反應為： LiCoO2 6C → Li1-xCoO2 LixC6
優點：工作電壓高、比能量大、循環壽命長、自放電率低、工作溫度寬、輸出功率大、無記憶效應、并且綠色環保等優點
缺點：電池的內部阻抗高、工作電壓變化大、成本高，主要是正極材料價格高、必須要有特殊的保護電路，以防止過充等缺點
正極材料：作為正極材料的嵌鋰化合物是鋰離子電池中鋰離子的“儲存庫”，為了獲得較高的單體電池電壓，傾向于選擇高電勢的嵌鋰化合物。 （a）在所要求的充放電電位范圍內，具有與電解質溶液的電化學相容性； （b）溫和的電極過程動力學； （c）高度的可逆性； （d）全鋰化狀態下在空氣中的穩定性。 目前有四大類的鋰離子電池正極材料，分別為： （1）LixMO2（M=Mn、Co、Ni）氧化物層狀材料； （2）聚陰離子型材料，如LiFePO4； （3）尖晶石型材料； （4）三元層狀富鋰型材料
負極材料：鋰離子電池能否成功應用，關鍵在于能可逆地嵌入與脫出鋰離子的負極材料的制備。 （a）在鋰離子的嵌入反應中自由能變化小； （b）鋰離子在負極的固態結構中有高的擴散率； （c）高度可逆的嵌入反應； （d）有良好的電導率 （e）熱力學上穩定同時與電解質不發生反應。 現在有五大類的負極材料： （1）金屬鋰及其合金材料； （2）碳材料； （3）氧化物材料； （4）過渡金屬氮化物材料； （5）復合負極材料。 電解質：電解質是電池的重要組成部分，承擔著通過電池內部在正負電極之間傳輸離子的作用，它對電池的容量，工作溫度范圍、循環性能及安全性能等都有重要的影響。電解質可分為固態電解質與液態電解質，其中固態電解質分為無機固態電解質和聚合物電解質，液態電解質則有非水溶劑電解質與離子液電解質。
隔膜：鋰電池與鋰離子電池的隔膜都是用高分子聚烯烴樹脂做成的微孔膜。 集流體：顧名思義就是指匯集電流的結構或零件，在鋰離子電池上主要指的是金屬箔，如銅箔、鋁箔，泛指也可以包括極耳。功用主要是將電池活性物質產生的電流匯集起來以便形成較大的電流對外輸出，因此集流體應與活性物質充分接觸，并且內阻應盡可能小為佳。 又稱全固態鋰二次電池，簡稱全固態鋰電池。電池各單元，包括正負極、電解質全部采用固態材料的鋰二次電池，是從上世紀50年代開始發展起來的。目前，對于全固態鋰二次電池的研究按電解質的分類主要為聚合物全固態鋰電池和無機全固態鋰電池，它們各自的性能優缺點以及與鋰電池的優缺點的比較如下表1。 表1 不同類型鋰基電池比較 （1）薄膜型全固態鋰電池，是在襯底上將電池的各元素按照正極、電解質、負極的順序依次制備成薄膜，最后封裝而構成的一個電池，電池的結構圖如圖4所示，特點如表2所示； （2）聚合物全固態鋰電池，是基于聚合物電解質材料的技術而發展起來的固態鋰電池，其特點有質輕、黏彈性好、易成膜、電化學及化學穩定性好、鋰離子遷移數高等許多優點，但由于聚合物固體電解質材料因聚氧化乙烯基材料在室溫是較低的離子電導率，因此限制了其實際應用的廣度，而且高分子類固體電解質的低溫特性方面還存在問題，這導致了電池在低溫下工作狀況差，對其應用也造成了不利影響； （3）無機全固態鋰電池，即以無機固體作為電解質的固態鋰電池，特點有電池的機械強度高，不含易燃、易揮發成分，不存在液漏，抗溫度性能好等； 表2 全固態薄膜電池與鋰離子電池的特點比較 優勢之一：輕——能量密度高 使用了全固態電解質后，鋰離子電池的適用材料體系也會發生改變，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，可能之前與現有的電解液體系的兼容性并不好，但是在使用全固態電解質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：現在許多實驗室中，都已經可以小規模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池了（一般鋰離子電池是100-220Wh/kg）。 優勢之二：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，如果就應用領域來說，要求從高到低是消費電子產品>家用電動汽車>電動公交車。如果通俗地講，就是體積能量密度高了，因此相同質量的電池才能做的體積更小。電子產品中的可用空間往往很有限，很多產品（例手機、平板電腦）有近1/3左右的體積和質量已經被電池占據，而且在廣大生產廠商和消費者希望對電池進一步提高容量（增加續航）和壓縮體積（便攜美觀和便于設計）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品。 傳統鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來占據了電池中近40%的體積和25%的質量。而如果把它們用固態電解質取代（主要有有機和無機陶瓷材料兩個體系），正負極之間的距離（傳統上由隔膜電解液填充，現在由固態電解質填充）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——因此全固態電池技術是電池小型化，薄膜化的必經之路。 不僅如此，很多經過物理/化學氣相沉積（PVD/CVD）制備的全固態電池，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）領域中。能夠制成體積非常小的電池也是全固態電池技術的一大特色，這可以方便電池適應各種新型小尺寸智能電子設備的應用，而在這一點上傳統的鋰離子電池的技術是很難達到的。 目前許多納米材料實用的一大關鍵障礙就在于比表面積大，體積密度過低，導致如果基于這些材料制成產品，往往相同質量下占據體積過大，即體積能量密度偏低，完全無法滿足一般工業品的要求。所以現在的納米（電池）材料科研中往往選擇了不報道這方面的參數，原因不難理解。
優勢之三：柔性化的前景 全固態電池可以經過進一步的優化，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常是可以彎曲的，材料會變得有柔性。相應的，全固態電池在輕薄化后柔性程度也會有明顯的提高，通過使用適當的封裝材料（不能是鋼性的外殼），制成的電池可以經受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。實際上，以各種可穿戴設備為代表的柔性電子器件是下一代電子產品發展的重要方向，而這就要求該產品中的元件同樣需要具有柔性，因此柔性全固態電池是科研與工業界中，非常有前景的明日之星。不僅如此，功能化的全固態電池潛力遠不只以上的柔性電池，經過電池材料結構優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電-存儲一體化器件等等——全固態電池所意味的功能上的創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。
以上說了全固態電池的種種優點。實際上，這個世界上沒有完美無缺的事物，對于一種技術的報道我們認為不應該只報喜，不報憂。因此在這里也必須介紹一下全固態電池的幾個缺點。 問題之一：快充不現實 缺點一就是固態電解質電導率總體偏低，低于它們的“前輩”——液態電解液。這就導致了目前全固態電池的倍率性能整體偏低，內阻較大，高倍率放電時壓降較大，如果想指望該類技術能在近期解決電池快充的問題，基本上是不可能的。 當然了，固態電解質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象，就是全固態電池最好或者說必須在高一點的溫度下工作，才能發揮良好的性能。因此目前市面上有些使用全固態電池的產品，實際上都不是在室溫下工作的，最典型的例子就是法國已經在運行的3000余輛使用全固態電池的出租車（電芯能量密度可以達到260Wh/kg，優于現在商用的普通鋰離子電池）。 問題之二：成本依然偏高，制備工藝復雜，技術不夠成熟 目前的全固態鋰電池的電解質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（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。 因此現在的全固態電池如果要和普通鋰離子電池在傳統市場上競爭，并沒有太大的優勢。發揮全固態電池本身高安全性、高溫穩定性、可能達到的柔性等其它多功能特性，與傳統鋰離子電池在差異化的市場中競爭，可能是全固態電池近期內比較有希望的市場突破方向。 |
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