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如果通俗地講,全固態電池就是裡面沒有氣體、沒有液體,所有材料都以固態形式存在的電池。而考慮到現在人們日常生活中最為常見的電池為鋰離子電池,我們在這裡將預設把「全固態鋰離子電池」當做全固態電池的代表(暫時忽略全固態鋰硫等新型電池)。

本文也會著重介紹全固態鋰離子電池(以下將全部簡稱為「全固態電池」)的各方面,以饗讀者。

一般來說,鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、結構殼體等部分組成,其中電解液使得電流可以在電池內部以離子形式傳導。電解液技術是鋰電池的核心技術之一,也是現在電池工業中利潤很高的一個組成部分。

但是很多讀者可能發現過自己的鋰電池用久後有的會鼓脹,而在更極端的小機率事件下,有的甚至會發生危險(比如近來的扭扭車電池爆炸事件,導致相關的生產企業和電池企業遇到全面的困難)。另外,一般來說,現在的鋰離子電池的工作溫度範圍有限制,在 40 度以上的高溫下壽命會急劇縮短,安全性能會也出現很大的問題(所以特斯拉 MODEL S 會有一套嚴格的電池溫控系統,就是為此)。

實際上,以上所說的幾個安全方面的問題都是與我們現在電池用的有機體系的電解液直接相關的。

而為了解決電池安全問題,提高能量密度,目前科學界和工業界都在研發以及生產全固態電池,也就是把傳統的鋰離子電池的隔膜和電解液,換成固態的電解質材料。那麼說來說去,相較於我們生活中最常見的一般鋰離子電池,全固態電池的優點主要有哪些呢?

使用了全固態電解質後,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相容性並不好,但是在使用全固態電解質後該問題可以得到一定的紓解。

綜合考慮到以上兩大因素,全固態電池相比於一般鋰離子電池,充電電池推薦

碳鋅電池推薦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製出能量密度為 300 – 400 Wh/kg 的全固態電池了(一般鋰離子電池是 100 – 220 Wh/kg)。

從能量密度的數據上看,或許全固態電池真的有希望讓我們的生活從「一天一充」升級到「兩天一充」。

另外,電池技術的前進受到電化學規律的制約,其容量上升是有理論極限的,一般很難以一個較大的幅度產生飛越式的、顛覆式的發展。因此建議廣大讀者擦亮眼睛,一但發現有性能「翻一/幾番」,「幾分鐘充滿電」,「成本下降 70%」一類新聞時,要加倍警覺,因為此類新聞宣傳誤導的嫌疑很大,而背後存在的問題往往總是避而不談。

  • 優勢之二:薄——體積小

實際上,體積能量密度對於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 > 電動巴士車。

如果通俗地講,就是體積能量密度高了,因此相同重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)有近三分之一左右的體積和重量已經被電池佔據,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(便攜美觀和便於設計)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,它們加起來佔據了電池中近 40% 的體積和 25% 的重量。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(µm),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)製備的全固態電池,其整體厚度可能只有幾十個微米,因此就可以製成非常小的電源器件,整合到 MEMS(微機電系統)領域中。能夠製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慧型電子裝置的應用,而在這一點上傳統的鋰離子電池的技術是很難達到的。

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