日前，有海外媒体报道称，宝马正在研发一种更先进的锂离子电池，这种电池将采用固体电解质代替现有电解质，更加轻便、安全、致密。据悉，新电池量产时间可能是2026年。看完这条新闻，首先想到的是宝马什么时候才能学我们一贯的风格？2026年还有9年，最不好说的是(圌)是(牛)量产牛)2020。让我等几分钟来兴奋一下。
开个玩笑，让我们言归正传。新闻中提到的比较先进的电池是传说中的全固态锂离子电池。今天简单说一下全固态锂离子电池的现状和未来，看看什么是鬼全固态锂离子电池。
1.与传统锂离子电池的基本区别
图1液态锂离子电池(左)和固态锂离子电池(右)
所谓全固态锂离子电池，简单来说就是电池结构中的所有组件都以固态存在，而如今的传统商用锂离子电池是液态锂离子电池，也就是电解液是液态溶液。具体来说就是用固体电解质代替传统锂离子电池的液体电解质和隔膜，通常采用金属锂作为负极，石墨等复合材料，结构如图1所示。
1.1比较它们的优缺点如下:
液体电解质
优点:a .工业自动化程度高；b .更好的界面接触；c .充放电循环电极膨胀相对可控；单位面积高电导率
缺点:a .挥发性和易燃性电解质导致安全性/热稳定性差；b .取决于SEI膜的形成；锂离子和电子可能同时导电。
全固体电解质
优点:a .安全性/热稳定性高(针刺和高温稳定性优异，可在60-120℃长期正常工作)；b .电化学窗口可达5V以上，可与高压材料匹配；c，只传导锂离子，不传导电子；d、由于固体电解质的存在，可以串联在电池中，形成单节高电压电池；e .简化冷却系统，提高能量密度；e .可用于超薄柔性电池领域。
缺点:a .充放电时影响界面应力；b .常温下单位面积离子电导率低，比功率差；c .费用极其昂贵(1mh的费用为25美元)；大容量电池的工业化生产非常困难
图2全固态电池的安全性能
2.全固态电池的关键技术
作为下一代先进电池技术，全固态电池无疑是学术界和工业界积极开发和推广的重点，其中选择合适的电解液材料和生产工艺是关键。
2.1电解质材料
电解液的性能很大程度上决定了电池的功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能和使用寿命。常见的固体电解质可分为聚合物电解质和无机电解质。对于电解液性能的评价，一般有以下指标:
A.离子电导率，一般要求在10-4 S/cm以上。
B.锂离子迁移数是指锂离子在流经电解液的电流中所占的比例。理想情况下，迁移数为1。如果迁移数太低，阴离子将在电极表面富集。
电池的极化加剧，内阻增大。
C.电化学窗口，一般高于4.3V，过低会在电池充放电过程中分解。
D.安全性/热稳定性高。
常见的固体电解质材料参数如下表所示:
类聚合物固体电解质
通常，PEO和锂盐LiTFSI的混合物用作电解质基础材料来制备电解质。由于聚合物电解质润湿电极的能力较差，必须通过极片对电极表面进行活性物质的嵌锂，使得电池工作过程中极片内活性物质的容量无法充分发挥。将电解质材料混入电极材料或替代粘结剂制备复合电极材料，填充电极颗粒间的空间隙，模拟电解质的润湿过程，是提高锂离子在电极板中迁移能力和电池容量的有效方法。
另一方面，其电化学窗口相对较窄。通常，低电位材料如LFP被用作阴极材料。
图3聚合物固体电解质Li金属电池循环性能可达600周。
图4 Poor抗氧化性差
氧化物固体电解质
LiPON是锂离子电池理想的电解质材料。由Lipon制备的电池具有优异的倍率性能和循环性能，可在50℃下工作，经过45000次循环后，容量保持率可达95%以上。虽然这种电解质的电导率不高(10-6 S/cm)，但由于溅射技术，电解质层很薄，与电极界面接触良好，电池整体电阻小。
然而，当LiPON材料为电解质时，必须通过磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积等方法将正负极材料制成薄膜电极。同时，由于正负极薄膜的制备工艺，无法像普通锂离子电池工艺那样在电极中加入导电材料，电解液也无法渗入电极，使得电极的锂离子和电子迁移能力较差。因此，只有当阳极和阴极层超薄时，电池的电阻才能降低。
这种电解质材料不适合制备Ah级高容量电池，因为它的电导率低且存在界面接触问题。
图5接口接触问题
与聚合物电解质相比，硫化物电解质电池具有热稳定性高、安全性能好、电化学窗口宽等优点，在0℃时电导率可达10-4 ~ 10-3 s/cm，在高功率电池和高低温电池中具有突出优势。
图6硫化物电解质电池的性能
但硫化物本身是一种高硬度的无机粉末，硫化物与电极材料空之间的电荷层造成界面相容性差，电池电阻大，影响电池的倍率性能。
关键是要使用高导电性的新型硫化物材料。目前成熟的有Li10GeP2S12和75li 2s 25p 2s 5，室温电导率分别为1.2× 10-3和1.6× 10-4 s/cm。
图7无机材料固态电池设计思路
2.2锂金属阴极界面问题
我们知道固态电池中锂金属阳极的优点是低电位、高容量(3860毫安时/克)和重量轻。然而，使用中的缺点也很明显，如固相接触电阻大、界面反应和效率低。
解决方案如下:
图8解决锂金属负极界面的思路
3.世界主要公司和研究机构的进展
目前参与全固态锂离子电池研发生产的公司和机构大致如下:Cymbet、凯越创、前沿、无限动力、Sakti3、SEEO、丰田/AIST、平面能源、台湾省惠能、物理研究所、青岛能源研究所、宁波材料研究所、CATL、AVIC锂等。是中国的主要公司。
图9世界主要机构制造商研究进展
A.法国博洛雷公司ev“bluecar”搭载其子公司Batscap生产的30kwh锂金属聚合物电池(LMP)，采用Li-PEO-LFP材料体系。巴黎的汽车共享服务Autolib使用了大约2900辆Bluecar。这是全球首款商用纯固态EV电池。
B.SEEO公司供应样品级38Wh、220Wh/kg电池单元和130~150Wh/kg电池组。2015年被博世汽车集团收购。
C.德国KOLIBRI电池用在奥迪A2车上，但电池并没有真正商业化。
D.丰田在电动车电池系统中的应用丰田原型车:LiCoO2/Li10gep2s12/in
图10台湾省惠能电池技术路线图(来自惠能官网)
图11台湾省惠能当前产品信息
4.观点
全固态电池技术被认为是下一代将要开发的创新电池技术。虽然目前Ah级电池或EV的应用还有很多限制，但至少现在的前景是光明的。相信在不久的将来技术会越来越成熟，所有的问题都可以解决。到了那一天，我们可能再也不用担心电池安全测试失败的头疼问题了。
参考文献:
1.面向全固态锂电池的刚柔耦合聚合物电解质
2.固态锂金属电池的挑战与进展
3.全固态锂电池技术的研究现状及展望
4.N. Kayama等人自然材料中的铝10，682-686 (2011)