什么是全固态电池？

什么是全固态电池？反应原理、特点、优点、缺点是什么？

   对于用于智能手机电池和电动汽车电池的锂离子电池，各公司正在进行各种研究和开发，以实现更高的容量、更高的电压和更高的能量密度。随着锂离子电池的不断完善，下一代全固态电池的研发也逐渐势头强劲。那么，什么是全固态电池？它的反应、原理、特点、优点和缺点是什么？这次将介绍什么是全固态电池。 

1、什么是全固态电池？它与锂离子电池有何不同？

在讲解全固态电池之前，先简单解释一下锂离子电池的结构，可以说是与全固态电池关系最为密切的。锂离子电池由正极、负极、隔膜、电解液、壳体等组成（如下图）。典型的锂离子电池通常使用钴酸锂、锰酸锂或磷酸铁锂作为正极活性材料，并使用石墨或钛酸锂作为负极活性材料。本页概述了锂离子的配置。使用钴酸锂和石墨的电池。

   另一方面，全固态电池，顾名思义，就是全固态电池。换句话说，全固态电池和锂离子电池的主要区别在于它们不使用电解质。此外，其他部件倾向于使用与锂离子电池类似的材料（由于其高工作电压和高容量），并且在充电和放电过程中也会发生相同的锂离子迁移。    

通常，使用无机固体电解质作为承载Li离子的电解质（也存在凝胶电解质和聚合物电解质），并且锂离子电池中防止正负极之间短路。那么，全固态化有哪些优点和缺点呢？

2、全固态电池有哪些优势？

全固态电池的优点包括以下几点：

（1）安全性高

近来，随着锂离子电池起火事故引起关注，对电池安全性的要求不断提高。如上所述，锂离子电池采用有机溶剂型材料作为电解液，因此如果存在短路等火源，电解液可能会点燃，导致电池爆炸或着火。另一方面，全固态电池使用无机固体电解质而不是电解液，因此着火的风险极小，比锂离子电池更安全。当使用大型电池（例如安装在电动汽车中的电池或家用蓄电池）时，需要更高的安全性，因此需要在这些领域和各种其他领域进行实际应用。

（2）工作温度范围宽

锂离子电池的工作温度有限，因为它们使用环状酯（例如碳酸亚乙酯 (EC)）和电解质，或液体（例如 DEC（碳酸二乙酯）和 EMC（碳酸甲乙酯））。在低温下，电解液的粘度随着超过电解液的熔点而变得极高，这增加了电解液中锂离子移动的阻力，导致整个电池的内阻增加。同样，在100℃或更高的高温下，锂离子电池中的隔膜（常用的烯烃隔膜）开始熔化，随着温度进一步升高，电解液达到其蒸发温度，导致电池内部压力增大（如果内部压力增加，方形电池有一个称为安全阀的安全机制来确保安全。）

由于固体电解质的热稳定性高，这种高温或低温下的异常情况在全固态电池中极不可能发生，而全固态电池的优点之一就是具有广泛的工作范围。温度范围。

（3）设计自由度高

典型的锂离子电池的工作电压约为 3 至 4 V，但如果您想产生 10 V 或更高的高电压，则可以创建组装电池。例如，当通过串联电池来制作组合电池时，每个电池必须具有端子、壳体、元件、内部的电解质等。另一方面，由于全固态电池不使用电解质，因此也可以将它们串联在壳体内来制造。如果您尝试在同一外壳中使用通用电解质串联使用它们，锂离子将移动到您不希望它们移动的地方，并且电池可能不再起作用。因此，可以说设计自由度更大，并且人们对其在电动汽车中采用的期望越来越高，需要更高的输出。    

（4）与锂离子电池相比，不易劣化

锂离子电池的劣化（SOH）包括容量下降和内阻增加，但这些通常是由电极反应之外发生的副反应引起的。例如，锂离子电池（使用石墨作为负极）容量下降的主要原因被认为是在电解液和负极活性物质石墨之间的界面处形成的SEI的生长，以及这种反应是一种本来就不应该发生的副作用。这主要是因为当锂离子在电解液中移动时，不仅有阳离子，还有阴离子参与移动（特定离子携带的电流/总电流的值称为迁移数），当锂离子移动时，容易发生副反应。多个离子影响电荷传输。

相比之下，固体电解质基本上只有锂离子移动，因此不太可能发生副反应，换句话说，电池不易劣化。另外，如上所述，SEI的生长是电解质与负极之间的反应，属于化学反应，因此根据阿伦尼乌斯方程，温度越高，劣化越快，但固体电解质不受影响这是难以发生劣化的因素之一。

（5）高生产率（良好的操控性），无泄漏

如上所述，锂离子电池使用电解液，因此在电池制造过程中存在注液过程，该过程难以处理且容易溢出。此外，由于电极是多孔的，电解质可能需要一些时间才能渗透。另一方面，由于全固态电池不使用电解质，因此具有更容易处理（处理效果更好）的优点，并且往往比锂离子电池的生产率更高。另外，对于锂离子电池，无论是方形电池还是层压电池，如果外壳损坏或者焊接或密封部分未密封，都会发生液体泄漏，而全固态电池的另一个优点是不会发生液体泄漏。    

3、全固态电池（散装型全固态电池）的缺点（问题）是什么？

如后所述，全固态电池的结构大致可分为块状全固态电池和薄膜型全固态电池。下面我们就来讲解一下散装型全固态电池的优缺点，一般称为全固态电池。全固态电池的缺点（问题）包括以下几点：

（1）固体电解质的高离子传输电阻以及电解质与电极之间的接触电阻（界面电阻）

提高电池（包括全固态电池和锂离子电池）的输出的一种方法是降低电池的内阻（提高工作电压）。这里，在全固态电池中，与锂离子电池相比，电解液中锂离子的移动阻力一般较高（因为它是固体），并且各电极与电池之间的接触电阻（界面电阻）电解液也较高，因此内阻可能高于锂离子电池。然而，随着锂离子电导率等于或高于液体电解质的材料的开发以及降低电极和电解质之间的接触电阻的方法的研究和开发取得进展，这些问题正在得到克服。

（2）材料生产的量产技术和电池制造技术尚不发达。

与任何产品一样，在创建新产品时，必须通过各种方式提高生产力。即使可以合成高性能的材料，大规模生产也需要研究和开发，这需要时间和精力。此外，在使用材料制造电池时需要进行各种尝试和试错。也就是说，相比于锂离子电池等量产电池，全固态电池可以说还处于研发的早期阶段，所以目前的问题是，还有很多领域需要改进。需要在批量生产之前完成。不过，全固态电池可以说比锂离子电池具有更高能量密度和更高容量的潜力，因此各家公司的研发将会不断推进。

4、全固态电池有哪些类型以及它们如何反应？

我提到全固态电池是用固体电解质代替电解液和隔膜的锂离子电池，但严格来说，它可以分为几种类型。典型的全固态电池可分为散装型全固态电池和薄膜型全固态电池。下面，我们首先讲解一下块状全固态电池的结构（优缺点如上所述）和反应机理（原理）。    

 （1）散装型全固态电池的结构是怎样的？

散装型全固态电池的结构可以说与目前流行的锂离子电池类似。如下图所示，正极有正极箔（一般是铝）和正极活性物质等，负极有负极箔（一般是铜）和负极活性物质等，之间取电解质。换句话说，全固态电池的基本机理与锂离子电池类似，但不同之处在于采用固体电解质，并且锂离子通过固体电解质进行传输。

这里，正负极都是多孔的，锂离子电池采用的是渗透到多孔体内部的电解液，降低了各电极多孔体表面与电解液界面之间的接触电阻（更容易响应）。

另一方面，如上所述，体型全固态电池使用固体电解质，因此难以像使用液体时那样与电极的多孔材料均匀接触，并且电极之间的接触电阻也较大。电解质和电极的挑战之一是降低（界面电阻）。

（2）薄膜全固态电池的结构是怎样的？    

另一方面，还有一种全固态电池，称为薄膜全固态电池。薄膜全固态电池采用化学气相沉积（CVD）技术制造，这是一种众所周知的技术，例如蒸发和溅射。因此，它不是研究传统的电池技术，而是更类似于半导体制造工艺（半导体工艺）中的技术，或者在CV和DVD等基板上形成薄膜的技术的应用。

5、全固态电池不需要隔膜吗？

上面我们解释了块状和薄膜全固态电池的结构和反应机理，可以看出，锂离子电池中所需的隔膜是不需要的。我们以大容量固态电池为例。固体电解质是散装型全固态电池的材料，它在传统锂离子电池中扮演着电解质（有机溶剂 LiPF6）和隔膜的双重角色，传输锂离子并防止正负极之间的短路。这消除了全固态电池中对隔膜的需要。由于零件数量的减少，人们对降低成本的潜力也抱有很高的期望。

6、全固态电池材料-氧化物固体电解质的优缺点

这样，为了普及全固态电池，就需要开发具有高离子电导率和能够与电极形成良好界面的物理特性的固体电解质（全固态电池材料）开发这些制造技术非常重要。下面，我们解释一下该全固态电池的组成部分所使用的固体电解质材料的类型，以及典型材料的特性和反应。与任何材料一样，固体电解质可大致分为晶体和非晶体（玻璃）。（例如，用作锂离子电池负极材料的碳材料，范围从石墨等高度结晶材料到硬碳和软碳（低烧成温度）等非晶态材料。有。）

此外，除了固体电解质的结晶度之外，它们可以大致分为氧化物基固体电解质和硫化物基固体电解质。首先，我们将解释氧化物基固体电解质的特性、反应、优点和缺点。

（1）氧化物固体电解质的优点

氧化物基固体电解质的优点是在大气中比硫化物基固体电解质更稳定，并且是更安全的材料。硫化物固体电解质的优点之一是，它们在异常情况下（例如，当晶体结构由于极高的温度而破裂时）不会释放一种称为硫化氢（H2S）的有害物质。最近，锂离子电池的火灾事故也引起了人们的关注，我觉得有必要开发更安全的电池。例如，正极采用磷酸铁锂、负极采用钛酸锂等安全性较高的材料，这些材料的工作电压往往较低，但这种材料的使用正在逐渐增加。鉴于这种时代趋势，采用氧化物基固体电解质的可能性很大，各公司正在朝着实际应用方向进行研究和开发。    

（2）氧化物固体电解质的缺点

缺点是离子电导率普遍高于硫化物基材料，这意味着离子运动的阻力较高。即使与硫基材料相比，离子电导率也可能根据材料的不同而变化超过一个数量级。此外，如上所述，氧化物基固体电解质的范围从晶态到非晶态，稍后我们将解释一些典型的氧化物基固体电解质。

全固态电池材料.

7、硫化物基固体电解质的优缺点

接下来，我们将解释全固态电池材料硫化物基固体电解质的特性、反应、优点和缺点。

（1）硫化物基固体电解质的优点

硫化物基固体电解质的优点在于，它们通常比氧化物基固体电解质具有更高的离子电导率，可以达到与当前锂离子电池中使用的电解质（碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯等的混合物）相同的水平。电池也是如此。固体电解质除了离子电导率高之外，另一个优点是固体电解质与电极之间容易形成良好的界面（一般在制造过程中会降低内阻）。易于理解的物理特性。）当然，硫基材料的范围从结晶到非晶。

（2）硫化物基固体电解质的缺点

硫化物固体电解质的缺点之一是，它们在异常情况下（例如，当晶体结构由于极高的温度而破裂时）会释放出一种称为硫化氢（H2S）的有害物质。为了设计注重安全性的电池，使用氧化物型固体电解质而不是硫化物型固体电解质会更合适。另一方面，如果想要设计更加注重能量密度的电池，那么使用硫化物基固体电解质可能更合适。    

8、如何制作全固态电池（制造方法）？

尽管它是全固态电池，但它在结构上与锂离子电池有一些相似之处，因此在某些情况下，可以按原样使用常规制造工艺。全固态电池的制造方法与锂离子电池的制造工艺类似，正极、负极等电极的制作工艺也几乎相同。全固态电池的制造工艺仍处于研究阶段，各家公司都在探索该工艺，但以下是制造方法的示例。

与锂离子电池一样，制作电极后，将固体电解质涂布在电极上并进行压制，形成一个电极（正极混合物或负极混合物）和固体电解质一体化的产品。然后，通过将两种基材、混合物和固体电解质压在一起，形成一组电池。图像如下所示。