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 前段時(shí)間，國(guó)外媒體紛紛發(fā)布了一條消息，電動(dòng)汽車品牌 Fisker 申請(qǐng)了一個(gè)固態(tài)鋰電池專利，高續(xù)航 800 公里，充電只要 1 分鐘。

大家沸騰起來(lái)，簡(jiǎn)直一舉解決了續(xù)航和快充兩大難題。

FOX 電視臺(tái)還請(qǐng) Fisker 本人上節(jié)目采訪。Fisker 說(shuō) 1 月的 CES 他們將會(huì)對(duì)外展示這項(xiàng)技術(shù)，真正量產(chǎn)預(yù)計(jì)要到 2023 年，屆時(shí)價(jià)格將只有鋰電池的三分之一。

2017年年中，F(xiàn)isker 才發(fā)布了下一代 Emotion 車型，使用鋰電池，續(xù)航為 640 公里，充電 9 分鐘可行駛 200 公里。

再早一點(diǎn)兒，2016年，F(xiàn)isker 首發(fā)了 Emotion 官圖，夕陽(yáng)下蝴蝶對(duì)開(kāi)門的車身剪影很驚艷。當(dāng)時(shí)說(shuō)的是使用石墨烯電池，續(xù)航 640 公里——史上首款續(xù)航超過(guò) 480 公里的豪華電動(dòng)汽車。

因?yàn)槟莻�(gè)時(shí)候特斯拉的 Model S 100D 還沒(méi)出，90D 續(xù)航是 450 公里。

Fisker Emotion

那么，什么是固態(tài)電池?全固態(tài)電池到底是一種什么樣的技術(shù)?

如果通俗地講，全固態(tài)電池就是里面沒(méi)有氣體、沒(méi)有液體，所有材料都以固態(tài)形式存在的電池。

而考慮到現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ�活中為常�?jiàn)的電池為鋰離子電池，我們?cè)谶@里將默認(rèn)把“全固態(tài)鋰離子電池”當(dāng)做全固態(tài)電池的代表(暫時(shí)忽略全固態(tài)鋰硫等新型電池)。

本文也會(huì)著重介紹全固態(tài)鋰離子電池(以下將全部簡(jiǎn)稱為“全固態(tài)電池”)的各方面，以饗讀者。

一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜、電解液、結(jié)構(gòu)殼體等部分組成，其中電解液使得電流可以在電池內(nèi)部以離子形式傳導(dǎo)。

電解液技術(shù)是鋰電池的核心技術(shù)之一，也是現(xiàn)在電池工業(yè)中利潤(rùn)很高的一個(gè)組成部分。

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖

其中Li+(鋰離子)在內(nèi)電路中，通過(guò)電解質(zhì)(electrolyte)傳導(dǎo)

但是很多讀者可能發(fā)現(xiàn)過(guò)自己的鋰電池用久后有的會(huì)鼓脹，而在更極端的小概率事件下，有的甚至?xí)�發(fā)生危險(xiǎn)(比如近來(lái)的扭扭車的電池爆炸事件，導(dǎo)致了相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)和電池企業(yè)遇到了全面的困難)。

另外一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的鋰離子電池的工作溫度范圍有限，在40 度以上的高溫下壽命會(huì)急劇縮短，安全性能會(huì)也出現(xiàn)很大的問(wèn)題(所以特斯拉MODEL S會(huì)有一套嚴(yán)格的電池溫控系統(tǒng)，就是為此)。

實(shí)際上，以上所說(shuō)的幾個(gè)安全方面的問(wèn)題都是與我們現(xiàn)在電池用的有機(jī)體系的電解液直接相關(guān)的。

而為了解決電池安全問(wèn)題，提高能量密度，目前科研界和工業(yè)界都在研發(fā)以及生產(chǎn)全固態(tài)電池，也就是把傳統(tǒng)的鋰離子電池的隔膜和電解液，換成固態(tài)的電解質(zhì)材料。

那么說(shuō)來(lái)說(shuō)去，相比于我們生活中常見(jiàn)的普通鋰離子電池，全固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)主要有哪些呢?首先，我們要知道——

影響普通鋰離電池的安全性的因素主要有哪些?

1)電極材料特性，比如在大電流下工作有可能出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導(dǎo)致短路破壞;

2)電解液為有機(jī)液體，在高溫下發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會(huì)加劇;

3)電池質(zhì)量參差不齊，尤其是小廠家的電池安全性能不達(dá)標(biāo);

4)電池管理系統(tǒng)不合格，造成電池的過(guò)充放，導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生。

(用剪刀減掉電池一角后，仍然能夠安全、正常工作的柔性全固態(tài)電池)

而如果采用了全固態(tài)電池技術(shù)，以上的1和2兩點(diǎn)問(wèn)題就可以直接得到解決，而且所得的電池的高工作溫度可以從現(xiàn)在的40度提升到更高，這樣就可以使電池的適應(yīng)工作溫度區(qū)間更寬，應(yīng)用范圍也會(huì)更廣。

安全性，其實(shí)是全固態(tài)電池領(lǐng)域發(fā)展的根本驅(qū)動(dòng)力之一。下面說(shuō)一下固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)

固態(tài)電池有哪些優(yōu)勢(shì)?

優(yōu)勢(shì)之一：薄--體積小

實(shí)際上，體積能量密度對(duì)于電池來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的參數(shù)，如果就應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，要求從高到低是消費(fèi)電子產(chǎn)品》家用電動(dòng)汽車》電動(dòng)公交車。

如果通俗地講，就是體積能量密度高了，因此相同質(zhì)量的電池才能做的體積更小。

電子產(chǎn)品中的可用空間往往很有限，很多產(chǎn)品(例手機(jī)、平板電腦)有近1/3左右的體積和質(zhì)量已經(jīng)被電池占據(jù)，而且在廣大生產(chǎn)廠商和消費(fèi)者希望對(duì)電池進(jìn)一步提高容量(增加續(xù)航)和壓縮體積(便攜美觀和便于設(shè)計(jì))的要求下，高壓實(shí)、體積能量密度高的鈷酸鋰(LCO)電池依然是當(dāng)仁不讓的主流產(chǎn)品。

傳統(tǒng)鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來(lái)占據(jù)了電池中近40%的體積和25%的質(zhì)量。

而如果把它們用固態(tài)電解質(zhì)取代(主要有有機(jī)和無(wú)機(jī)陶瓷材料兩個(gè)體系)，正負(fù)極之間的距離(傳統(tǒng)上由隔膜電解液填充，現(xiàn)在由固態(tài)電解質(zhì)填充)可以縮短到甚至只有幾到十幾個(gè)微米，這樣電池的厚度就能大大地降低 --因此全固態(tài)電池技術(shù)是電池小型化，薄膜化的必經(jīng)之路。

不僅如此，很多經(jīng)過(guò)物理/化學(xué)氣相沉積(PVD/CVD)制備的全固態(tài)電池，其整體厚度可能只有幾十個(gè)微米，因此就可以制成非常小的電源器件，整合到MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))領(lǐng)域中。

能夠制成體積非常小的電池也是全固態(tài)電池技術(shù)的一大特色，這可以方便電池適應(yīng)各種新型小尺寸智能電子設(shè)備的應(yīng)用，而在這一點(diǎn)上傳統(tǒng)的鋰離子電池的技術(shù)是很難達(dá)到的。

(現(xiàn)在鋰離子電池各組分的(a)體積占比和(b)質(zhì)量占比)

目前許多納米材料實(shí)用的一大關(guān)鍵障礙就在于比表面積大，體積密度過(guò)低，導(dǎo)致如果基于這些材料制成產(chǎn)品，往往相同質(zhì)量下占據(jù)體積過(guò)大，即體積能量密度偏低，完全無(wú)法滿足一般工業(yè)品的要求。

所以現(xiàn)在的納米(電池)材料科研中往往選擇了不報(bào)道這方面的參數(shù)，原因不難理解。

優(yōu)勢(shì)之二：柔性化的前景

全固態(tài)電池可以經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化，變成柔性電池，從而帶來(lái)更多的功能和體驗(yàn)。

實(shí)際上，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級(jí)以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會(huì)變得有柔性。

相應(yīng)的，全固態(tài)電池在輕薄化后柔性程度也會(huì)有明顯的提高，通過(guò)使用適當(dāng)?shù)姆庋b材料(不能是鋼性的外殼)，制成的電池可以經(jīng)受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。

實(shí)際上，以各種可穿戴設(shè)備為代表的柔性電子器件是下一代電子產(chǎn)品發(fā)展的重要方向，而這就要求該產(chǎn)品中的元件同樣需要具有柔性，因此柔性全固態(tài)電池是科研與工業(yè)界中，非常有前景的明日之星。

(韓國(guó)KAIST制備的典型疊層結(jié)構(gòu)的柔性全固態(tài)電池)