简单分析全固态锂离子电池的优缺点

所谓全固态锂离子电池简单来说就是指电池结构中所有组建都是以固态形式存在，而如今传统的商业化的锂离子电池则是液态锂离子电池即电解液是液态溶液状。具体来说就是把传统锂离子电池的液态电解液和隔膜替换为固态电解质，一般是以锂金属为负极，也可是石墨类及其他复合材料

1.1比较各自的优缺点如下：

液态电解质

优点：a.工业化自动化程度高;b.较好的界面接触;c.充放电循环电极膨胀相对可控;d.单位面积的导电率高

缺点：a.易挥发易燃烧的电解质导致其安全/热稳定性较差;b.依赖于形成SEI膜;c.锂离子和电子可能同时传导。

全固态电解质

优点：a.高安全/热稳定性(针刺和高温稳定性极好，可长期正常工作在60-120℃条件下);b.可达5V以上的电化学窗口，可匹配高电压材料;c.只传导锂离子不传导电子;d.由于固态电解质存在可以在电池内串联组成高电压的单体电池;e.简化冷却系统，提高能量密度;e.可使用在超薄柔性电池领域

缺点：a.充放电过程中界面应力受影响;b.单位面积离子电导率较低，常温下比功率差;c.成本极为昂贵(1mAh成本为25美金);d.工业化生产大容量电池有很大困难

全固态锂离子电池将来有可能在3C小型电子设备上获得实际应用，大型动力锂电池或许并不是其适用领域。根据当前国际上全固态锂离子电池的研究和发展状况，并不认为在未来5-10年之内全固态锂离子电池有大规模商业化的可能性。

这里要强调的是，关于上述锂电安全性和能量密度问题的认识和理解，要具备相当的电化学专业知识以及资深的锂电生产实践，由于篇幅的限制笔者这里不再赘述。

比较锂离子动力锂电池和燃料动力电池，我们可以看到，锂离子动力锂电池能量密度进一步提升的空间非常有限。假如从最基本电化学原理的角度思考，这个问题并不难理解，二次电池的能量密度新增并不遵循摩尔定律。

能量密度更高的新型化学电源体系目前还都处于基础研究阶段，产业化前景依然很不明朗。相对而言，PEMFC的能量密度问题并不是很突出，即便是通过最简单的新增储氢罐数量来保证续航里程，可操作性也相比较较容易。

我们也可以从另外一个角度进行思考，二次电池必须向全密封系统发展而力求做到免维护(对锂电而言则是绝对必须)，而正是因为二次电池是个密封系统，才决定了它的能量密度不可能很高。否则的话，一个密闭的高能体系在本质上跟炸弹有何差别？

相比于传统的锂离子电池，固态锂离子电池具有显著优点：

(1)高安全性能：传统锂离子电池采用有机液体电解液，在过度充电、内部短路等异常的情况下，电池容易发热，造成电解液气胀、自燃甚至爆炸，存在严重的安全隐患。而很多无机固态电解质材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，聚合物固体电解质相比于含有可燃溶剂的液态电解液，电池安全性也大幅提高。

(2)高能量密度：固态锂离子电池负极可采用金属锂，电池能量密度有望达到300～400Wh/kg甚至更高;其电化学稳定窗口可达5V以上，可匹配高电压电极材料，进一步提升质量能量密度;没有液态电解质和隔膜，减轻电池重量，压缩电池内部空间，提高体积能量密度;安全性提高，电池外壳及冷却系统模块得到简化，提高系统能量密度。

(3)循环寿命长：有望防止液态电解质在充放电过程中持续形成和生长SEI膜的问题和锂枝晶刺穿隔膜问题，大大提升金属锂离子电池的循环性和使用寿命。

(4)工作温度范围宽：固态锂离子电池针刺和高温稳定性极好，如全部采用无机固体电解质，最高操作温度有望达到300℃，从而防止正负极材料在高温下与电解液反应可能导致的热失控。

(5)生产效率提高：无需封装液体，支持串行叠加排列和双极机构，可减少电池组中无效空间，提高生产效率。

(6)具备柔性优势：全固态锂离子电池可以制备成薄膜电池和柔性电池，相关于柔性液态电解质锂离子电池，封装更为容易、安全，未来可应用于智能穿戴和可植入式医疗设备等。