分析固态电解质在锂金属负极应用上的优势

为什么一定是固态电池

1、不燃烧，根除安全隐患

固态电池是采用固态电解质的锂离子电池。工作原理上，固态锂电池和传统的锂电池并无区别：传统的液态锂电池被称为“摇椅式电池”，摇椅的两端为电池的正负两极，中间为液态电解质，锂离子在电解液中迁移来完成正负极间的穿梭实现充放电，而固态电池的电解质为固态，相当于锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。固态电解质是固态电池的核心。

固态电解质不可燃烧，极大提高电池安全性。与传统锂电池相比，全固态电池最突出的优点是安全性。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性，避免了传统锂离子电池中的电解液泄露、电极短路等现象，降低了电池组对于温度的敏感性，根除安全隐患。同时，固态电解质的绝缘性使得其良好地将电池正极与负极阻隔，避免正负极接触产生短路的同时能充当隔膜的功能。

2、兼容高容量正负极+轻量化电池系统，推动能量密度大飞跃

更宽的电化学窗口，更易搭载高电压正极材料：提高正极材料容量需要充电至高电压以便脱出更多的锂，目前针对钴酸锂的电解质溶液可以充电到4.45V，三元材料可以充电到4.35V，继续充到更高电压，液态电解液会被氧化，正极表面也会发生不可逆相变，三元811电池的推广目前便受到了耐高压电解液的制约。而固态电解质的电化学窗口更宽，可达到5V，更加适应于高电压型电极材料。随着正极材料的持续升级，固态电解质能够做出较好的适配，有利于提升电池系统的能量密度

兼容金属锂负极，提升能量密度上限：高容量与高电压的特性，让金属锂成为继石墨与硅负极之后的“最终负极”。为了实现更高的能量密度目标，以金属锂为负极的电池体系已成为必然选择。因为：

(1)锂金属的克容量为3860mAh/g，约为石墨(372mAh/g)的10倍，

(2)金属锂是自然界电化学势最低的材料，为-3.04V。同时其本身就是锂源，正极材料选择面更宽，可以是含锂或不含锂的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空气，分别对应能量密度更高的锂硫和锂空电池，理论能量密度接近当前电池的10倍。

固态电解质在锂金属负极应用上的优势

锂金属负极在当前传统液态电池体系难以实现。锂金属电池的研究最早可追溯到上世纪60年代，并在20世纪70年代已成功开发应用于一次电池。而在可充放电池领域，金属锂负极在液态电池中存在一系列技术问题至今仍缺乏有效的解决方法，比如金属锂与液态电解质界面副反应多、SEI膜分布不均匀且不稳定导致循环寿命差，金属锂的不均匀沉积和溶解导致锂枝晶和孔洞的不均匀形成。

固态电解质在解决锂金属负极应用问题上被科学界寄予厚望。研究者把解决金属锂负极的应用问题寄希望于固态电解质的使用，主要思路是避免液体电解质中持续发生的副反应，同时利用固体电解质的力学与电学特性抑制锂枝晶的形成。此外，由于固态电解质将正极与负极材料隔离开，不会产生锂枝晶刺破隔膜的短路效应。总而言之，固态电解质对于锂金属负极拥有更好的兼容性，锂金属材料将在固态电池平台上率先应用。

减轻系统重量，能量密度进一步提升。固态电池系统重量减少进一步提升能量密度。动力电池系统需要先生产单体，单体封装完成后将单体之间进行串联组装。若先在单体内部进行串联，则会导致正负极短路与自放电。固态电池电芯内部不含液体，可实现先串并联后组装，减少了组装壳体用料，PACK设计大幅简化。此外，由于彻底的安全特性，BMS等温控组件将得以省去，并可通过无隔膜设计进一步为电池系统“减负”。

3、固态电池是最有希望率先产业化的下一代电池技术

固态电池体系革命更小。锂硫电池、锂空气等体系需更换整个电池结构框架，难题更多也更大，而固态电池主要在于电解液的革新，正极与负极可继续沿用当前体系，实现难度相对小。锂金属负极兼容，通过固态电解质实现。锂硫、锂空气均需采用锂金属负极，而锂金属负极更易在固态电解质平台实现。固态电池作为距离我们最近的下一代电池技术已成为科学界与产业界的共识，是后锂电时代的必经之路。