中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：固態(tài)電池相比于傳統(tǒng)鋰離子電池而言，具有較高的能量密度，有望解決當(dāng)前鋰離子電池安全性，并且擁有更寬的工作溫度范圍，同時(shí)固-固界面的自鈍化效應(yīng)也將有利于電池壽命的提升。由于巨大的優(yōu)勢吸引了大量的科學(xué)家以及創(chuàng)業(yè)公司從事固態(tài)電池的研究與開發(fā)工作，經(jīng)過多年的探索一些高導(dǎo)電性和高穩(wěn)定性的無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)（SSE）材料被開發(fā)出來，包括氧化物、硫化物、硼氫化物和鹵化物類材料，部分材料的室溫Li+離子電導(dǎo)率超過了傳統(tǒng)液體電解質(zhì)的電導(dǎo)率（>10mS/cm），為固態(tài)電池商業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
通常報(bào)道的固態(tài)電池有兩大類，“全固態(tài)”和“固態(tài)”電池，前者被定義為本質(zhì)上完全固態(tài)，而后者通常指的是液固混合電池。目前看“固態(tài)”電池的邊界往往很模糊，由于邊界的模糊性導(dǎo)致資源存在錯(cuò)配的可能性，有限的資源很難分配給有前景的技術(shù)路徑，從而影響實(shí)現(xiàn)技術(shù)的重大進(jìn)步。公開數(shù)據(jù)報(bào)道使用了液體電解質(zhì)的固態(tài)電池性能數(shù)據(jù)十分令人矚目，尤其是能量密度方面，但沒有定量的公開液體電解質(zhì)的添加量，也鮮有報(bào)道公開相關(guān)循環(huán)壽命測試數(shù)據(jù)，這讓人質(zhì)疑該類電池化學(xué)體系更像是改良的常規(guī)液態(tài)電池。誠然，由于液體-固體混合材料與LIB原型工藝的相似性和兼容性，其進(jìn)入壁壘明顯降低，但仍然沒有有效的解決電池的安全性、熱穩(wěn)定性以及界面問題。
盡管全固態(tài)電池在一些性能上表現(xiàn)的比較突出，但相對常規(guī)液態(tài)鋰離子電池或者固液混合鋰離子電池技術(shù)壁壘很高，從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化生產(chǎn)存在較多的障礙。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為全固態(tài)電池商業(yè)化推廣的時(shí)間線仍然很長，在短期內(nèi)無法取代常規(guī)鋰離子電池，其規(guī)?；a(chǎn)除了面臨來之于加工方面的工程障礙，同時(shí)也存在一些基礎(chǔ)科學(xué)問題有待解決，市場上的全固態(tài)電池企業(yè)存在炒作嫌疑。不可否認(rèn)，目前關(guān)于全固態(tài)電池的工作，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，電池容量相對較小，需要更加關(guān)注全固態(tài)電池中試規(guī)模的放大和開發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池容量達(dá)到10Ah，甚至更高。
近日由LG能源公司資助的芝加哥大學(xué)的一項(xiàng)研究重點(diǎn)從全固態(tài)電池材料、電極、電芯制造等角度出發(fā)，討論了固態(tài)電池規(guī)?；a(chǎn)所面臨的挑戰(zhàn)，并針對挑戰(zhàn)提出了一些潛在的解決方案。第一，材料方面的挑戰(zhàn)主要是固態(tài)電解質(zhì)，根據(jù)阿貢實(shí)驗(yàn)室研究現(xiàn)階段Li6PS5Cl 價(jià)格是常規(guī)液態(tài)電解液與隔膜之和100倍。其中主要的因素是沒有規(guī)模化實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，且現(xiàn)階段的合成工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)一步降低合成材料所需要的時(shí)間，如針對硫化物固態(tài)電解質(zhì)的合成，可通過固相反應(yīng)將反應(yīng)時(shí)間由48h降低至1~3h，使用非極性溶劑如二甲苯或甲苯進(jìn)行濕法球磨有助于進(jìn)一步優(yōu)化固態(tài)電解質(zhì)粒徑及其分布；關(guān)于電解質(zhì)帶來的另外一個(gè)挑戰(zhàn)主要是生產(chǎn)環(huán)境的要求，以硫化物固態(tài)電解質(zhì)為例，通常認(rèn)為對生產(chǎn)制造環(huán)境要求較為苛刻，實(shí)驗(yàn)室中一般要求在惰性氣氛下進(jìn)行，而研究表明Li6PS5Cl在-40℃露點(diǎn)下性能能夠很好的保證，實(shí)際上與常規(guī)液態(tài)電解液要求的使用環(huán)境相差并不大。第二，固態(tài)電解質(zhì)隔膜和厚電極的加工，以正極為例，如果使用硫化物固態(tài)電解質(zhì)可以使用非極性溶劑作為溶劑按照濕法電極的制作工藝進(jìn)行制備，但是濕法工藝難以滿足厚電極加工需求，通過干法電極工藝能夠有效提升厚電極的加工，采用干法電極有兩方面優(yōu)勢，一，降低溶劑使用避免了烘烤，有利于成本的降低；二，干法工藝能夠有效提升電極致密性，有利于體積能量密度的提升，同時(shí)提高了活性物質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)的接觸，提高鋰離子傳導(dǎo)性能。同理可以采用同樣工藝對膜或負(fù)極進(jìn)行加工。第三，單電芯的組裝，可以采用常規(guī)軟包電芯組裝方式進(jìn)行組裝，如卷繞、Z型疊片等方式進(jìn)行組裝，但對膜的強(qiáng)度要求較高，現(xiàn)階段無法完全依靠固態(tài)電解質(zhì)膜達(dá)到相應(yīng)要求，固態(tài)電池可以內(nèi)用內(nèi)部串聯(lián)的方式進(jìn)行組裝以獲取更高的能量密度。第四，電池單元的封裝，目前電池單元的封裝是全固態(tài)電池生產(chǎn)的主要限制因素，仍然需要更多的探索研究，甚至使用AI技術(shù)進(jìn)行研究。公開報(bào)道為了保障電池內(nèi)部良好的界面，采用鋰金屬電池通常組裝壓力需要達(dá)到1~7MPa，而對于硅基或者石墨類負(fù)極的全固態(tài)電池組裝壓力需要達(dá)到50-200MPa。
點(diǎn)評(píng)：除了以上幾方面挑戰(zhàn)外，從事全固態(tài)電池研究主要由高?？蒲性核统鮿?chuàng)公司為主，大多數(shù)大公司處于觀望狀態(tài)，高校主要以材料研究為主，初創(chuàng)公司目前在攻關(guān)全固態(tài)電池工藝及產(chǎn)業(yè)化方面的研究，行業(yè)透明度很低也限制了固態(tài)電池的商業(yè)化進(jìn)程，總之固態(tài)電池發(fā)展前景比較明確，但通往商業(yè)化之前仍需要在全固態(tài)電池制作工藝方面進(jìn)行大量的探索。
論文以題目：Scaling up high-energy-density sulfidic solid-state batteries: A lab-to-pilot perspective，發(fā)表在Joule，文章中部分圖表如下所示：
