本文闡述了全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點(即固態(tài)電解質(zhì)的使用有助于提高鋰電池安全性、能量密度和功率密度，拓寬電池工作溫度范圍和應用領域)，指出了作為全固態(tài)電池關鍵材料的固態(tài)電解質(zhì)應滿足的要求。

電動汽車、大規(guī)模儲能和微型器件等領域的發(fā)展要求不斷提高現(xiàn)有二次電池的能量密度、功率密度、工作溫度范圍和安全性，而全固態(tài)鋰電池作為最具潛力的電化學儲能裝置，近年來受到廣泛關注。

本文闡述了全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點(即固態(tài)電解質(zhì)的使用有助于提高鋰電池安全性、能量密度和功率密度，拓寬電池工作溫度范圍和應用領域)，指出了作為全固態(tài)電池關鍵材料的固態(tài)電解質(zhì)應滿足的要求。

隨著能源危機和環(huán)境污染問題的日益突顯，人們對清潔、可再生能源的需求越來越迫切。實際應用中，太陽能、風能、水力等可再生能源需要被轉(zhuǎn)化為電能等二次能源才能廣泛被人們加以利用。為解決這類自然可再生能源與電力需求在時空分布上的不匹配問題，儲能技術(shù)的發(fā)展必不可少。

在眾多儲能技術(shù)中，電化學儲能技術(shù)，即電池的使用受到人們越來越多的關注。

電池儲能具有高效、規(guī)?？烧{(diào)的特點，既可整合于電力系統(tǒng)作為能量儲存單元，起到對電網(wǎng)削峰填谷的作用，提高電網(wǎng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，也可用于移動通訊、新能源汽車等領域，為人類生活質(zhì)量的提高提供源源不斷的能量支持。

圖1主要電化學儲能電池比能量及用于電動車續(xù)航里程比較

二次電池的發(fā)展經(jīng)歷了從早期的鉛酸電池，到后來的鎳鎘、鎳氫電池，再到現(xiàn)在已商用化的二次鋰離子電池和用于電網(wǎng)儲能的鈉-硫電池等。

鋰電池以鋰元素作為能量輸運和存儲介質(zhì)，鋰元素質(zhì)輕(金屬鋰摩爾質(zhì)量為6.94g/mol，是自然界存在的固態(tài)元素中最輕的)和氧化還原電位低(Li+/Li相對于標準氫電極的標準氧化還原電位為-3.04V，在所有標準氧化還原電對中最低)的特點，使鋰離子電池可獲得比其他類型電池更高的輸出電壓和能量密度(圖1)。

因此，自1991年索尼公司推出第一款商用二次鋰離子電池以來，鋰電池在全球范圍內(nèi)迅速普及，成為許多便攜式電子產(chǎn)品首選的電源類型。

近年來，伴隨著電動汽車的興起，以及可再生能源發(fā)電對大規(guī)模儲能裝置的迫切需求，鋰電池的研究再度升溫，開發(fā)安全、大容量、大功率和長壽命的二次鋰電池成為焦點。

圖2二次鋰離子電池和鋰-空氣電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理示意

目前商業(yè)化的鋰電池以石墨作為負極，正極采用可嵌入/脫出鋰離子的氧化物材料結(jié)構(gòu)，如LiCoO2等，電解質(zhì)為溶有鋰鹽的有機溶液，鋰元素在整個電池中以離子形式存在，故被稱為鋰離子電池(圖2(a))。

鋰離子電池顯著削弱了以鋰為工作介質(zhì)的優(yōu)勢，可以認為是一種過渡產(chǎn)品。為進一步擴大鋰電池的能量密度，目前的研究:

一方面著力于探索抑制鋰枝晶生長的方法，使鋰金屬作為負極成為可能;

另一方面則集中于獲得更高容量或電極電勢的正極材料。例如，以單質(zhì)硫或者氧氣作為正極，利用二者超高的單位質(zhì)量儲鋰能力(每克硫1672mA·h;每克氧氣3862mA·h)，可以顯著提升電池的容量。這樣形成的鋰電池又分別稱為鋰-硫電池和鋰-氧氣(空氣)電池(圖2(b))。

車用動力鋰電池，除需滿足長續(xù)航里程和大功率充放電的要求外，安全性尤為重要。目前商用的鋰離子電池，在短路情況發(fā)生時釋放大量熱量，會引燃有機電解液，產(chǎn)生爆炸隱患，顯然難以廣泛使用。

即使是目前被認為最安全的特斯拉汽車，使用了復雜的電池管理系統(tǒng)和防護措施，仍在問世短短的幾年內(nèi)發(fā)生多次著火爆炸事故。

此外，有機電解液還存在的問題包括:

電化學窗口有限，難以兼容金屬鋰負極和新研發(fā)的高電勢正極材料;

鋰離子并非唯一的載流子，在大電流通過時，電池內(nèi)阻會因離子濃度梯度的出現(xiàn)而增加(濃差極化)，電池性能下降;

工作溫度有限(安全工作溫度0～40℃);

與負極材料發(fā)生反應，生成SolidElectrolyteInterphase(SEI)層，造成2種材料的持續(xù)消耗，使電池容量不斷下降。

用固態(tài)電解質(zhì)代替有機電解液，有望從根本上解決上述問題，這樣形成的鋰電池稱為固態(tài)鋰電池。本文首先闡述固態(tài)鋰電池的優(yōu)點，然后對固態(tài)鋰電池的關鍵材料——固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展情況進行綜述，并在此基礎上介紹全電池結(jié)構(gòu)設計、發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，以及目前仍存在的問題。