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引言 锂系电池分为锂电池和锂离子电池，手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大（使用过程中可能发生爆炸），故很少应用于日常电子产品。锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池，锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li 从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。 锂电主要正极、负极、电解质、隔膜构成，一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。锂离子电池的核心是正极材料，其容量与电池的成本决定了电池综合性能的优良与否，以及锂离子电池的商业化进程。因此，能否研制出性能良好的正极材料正是锂离子电池研制的关键。以正极材料LiCoO2，负极材料石墨，电解质LiPF6-EC DMC为例，锂离子电池的电化学表达式为： （—）C|LiPF6-EC DMC|LiCoO2（ ） 电池放电时的正极反应为： LiCoO2 → Li1-xCoO2 xLi e-
放电时的负极反应为： xe- xLi 6C → LixC6 总反应为： LiCoO2 6C → Li1-xCoO2 LixC6
优点：工作电压高、比能量大、循环寿命长、自放电率低、工作温度宽、输出功率大、无记忆效应、并且绿色环保等优点
缺点：电池的内部阻抗高、工作电压变化大、成本高，主要是正极材料价格高、必须要有特殊的保护电路，以防止过充等缺点
正极材料：作为正极材料的嵌锂化合物是锂离子电池中锂离子的“储存库”，为了获得较高的单体电池电压，倾向于选择高电势的嵌锂化合物。 （a）在所要求的充放电电位范围内，具有与电解质溶液的电化学相容性； （b）温和的电极过程动力学； （c）高度的可逆性； （d）全锂化状态下在空气中的稳定性。 目前有四大类的锂离子电池正极材料，分别为： （1）LixMO2（M=Mn、Co、Ni）氧化物层状材料； （2）聚阴离子型材料，如LiFePO4； （3）尖晶石型材料； （4）三元层状富锂型材料
负极材料：锂离子电池能否成功应用，关键在于能可逆地嵌入与脱出锂离子的负极材料的制备。 （a）在锂离子的嵌入反应中自由能变化小； （b）锂离子在负极的固态结构中有高的扩散率； （c）高度可逆的嵌入反应； （d）有良好的电导率 （e）热力学上稳定同时与电解质不发生反应。 现在有五大类的负极材料： （1）金属锂及其合金材料； （2）碳材料； （3）氧化物材料； （4）过渡金属氮化物材料； （5）复合负极材料。 电解质：电解质是电池的重要组成部分，承担着通过电池内部在正负电极之间传输离子的作用，它对电池的容量，工作温度范围、循环性能及安全性能等都有重要的影响。电解质可分为固态电解质与液态电解质，其中固态电解质分为无机固态电解质和聚合物电解质，液态电解质则有非水溶剂电解质与离子液电解质。
隔膜：锂电池与锂离子电池的隔膜都是用高分子聚烯烃树脂做成的微孔膜。 集流体：顾名思义就是指汇集电流的结构或零件，在锂离子电池上主要指的是金属箔，如铜箔、铝箔，泛指也可以包括极耳。功用主要是将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出，因此集流体应与活性物质充分接触，并且内阻应尽可能小为佳。 又称全固态锂二次电池，简称全固态锂电池。电池各单元，包括正负极、电解质全部采用固态材料的锂二次电池，是从上世纪50年代开始发展起来的。目前，对于全固态锂二次电池的研究按电解质的分类主要为聚合物全固态锂电池和无机全固态锂电池，它们各自的性能优缺点以及与锂电池的优缺点的比较如下表1。 表1 不同类型锂基电池比较 （1）薄膜型全固态锂电池，是在衬底上将电池的各元素按照正极、电解质、负极的顺序依次制备成薄膜，最后封装而构成的一个电池，电池的结构图如图4所示，特点如表2所示； （2）聚合物全固态锂电池，是基于聚合物电解质材料的技术而发展起来的固态锂电池，其特点有质轻、黏弹性好、易成膜、电化学及化学稳定性好、锂离子迁移数高等许多优点，但由于聚合物固体电解质材料因聚氧化乙烯基材料在室温是较低的离子电导率，因此限制了其实际应用的广度，而且高分子类固体电解质的低温特性方面还存在问题，这导致了电池在低温下工作状况差，对其应用也造成了不利影响； （3）无机全固态锂电池，即以无机固体作为电解质的固态锂电池，特点有电池的机械强度高，不含易燃、易挥发成分，不存在液漏，抗温度性能好等； 表2 全固态薄膜电池与锂离子电池的特点比较 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）。 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。 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。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。
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。 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。 |
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