隨著全球電動車浪潮席卷，關于固態電池的新聞越來越多：從Fisker宣稱開發充電1分鐘行駛500公里的固態電池，到寶馬已與SolidPower進行合作開發下一代電動車用固態電池，再到豐田又宣稱將在2025年前實現全固態電池的實用化。作為下一代電池技術的代表，固態電池引發市場高度關注。

固態電池是采用固態電解質的鋰離子電池。工作原理上，固態鋰電池和傳統的鋰電池并無區別：傳統的液態鋰電池被稱為“搖椅式電池”，搖椅的兩端為電池的正負兩極，中間為液態電解質，鋰離子在電解液中遷移來完成正負極間的穿梭實現充放電，而固態電池的電解質為固態，相當于鋰離子遷移的場所轉到了固態的電解質中。固態電解質是固態電池的核心。

固態電解質不可燃燒，極大提高電池安全性。與傳統鋰電池相比，全固態電池最突出的優點是安全性。固態電池具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發的特性，避免了傳統鋰離子電池中的電解液泄露、電極短路等現象，降低了電池組對于溫度的敏感性，根除安全隱患。同時，固態電解質的絕緣性使得其良好地將電池正極與負極阻隔，避免正負極接觸產生短路的同時能充當隔膜的功能。

然而，要將固態電池推向市場，仍面臨很大的問題，即如何制造出既堅固耐用又足夠薄的電解質，來作為良好的離子導體。在理想情況下，這些電解質應該只有幾十微米厚，類似于今天鋰離子電池的隔板，但是大多數固體電解質采用的是陶瓷材料，如果做得太薄，很容易破碎。

據外媒報道，加州大學圣地亞哥分校材料科學家PingLiu，以及馬里蘭大學和加州初創公司LioxPower研究人員，開發了一種制造固態電池電解質的新技術。在制造過程中，通過對溶液進行干燥，形成離子導電復合材料，這種材料可同時作為電解質和正極涂層。

該電解質溶液是一種含有β-硫代磷酸鋰(β-Li3PS4)的硫化物基材料。研究團隊通過多種方式來合成這種材料，包括使用不同的親核試劑、溶劑和機械支持物，但最關鍵的起始成分總是硫化鋰(Li2S)和硫化磷(P2S5)。所產生的β-Li3PS4溶液很清澈，在干燥時形成非常均勻的電解質層，可以直接沉積在硫化鋰正極上。Liu說:“我們通過連續的過程來制造電池，而不需要分別制造單獨的層體，所以，不必費力處理非常薄的材料。”

傳統鋰離子電池和固態電池制造技術，通常是將單層電解質堆疊組合在一起。這種能源密集型技術，需要用球磨機混合粉末與粘合劑，然后將其鑄造成板材，再通過高溫和高壓平臺，進行燒結或壓制。Liu的方法解決了這些問題。另外，研究人員對β-Li3PS4溶液進行調整，以防止枝晶生長，從而打造更安全的電池。

鋰枝晶的形成，是由于電場不均勻、表面化學或其他原因，導致鋰離子在負極表面發生不均勻沉積，從而形成針狀突起。如果任由枝晶形成，就會引起火災。CSIRO的Best稱：“負極上長出來的枝晶，與正極接觸，會引起局部過熱，溫度可能高達1500到2000攝氏度。”研究團隊開發的電解質，可與枝晶自發反應，形成惰性產物，有助于防止電池短路。Liu說：“這與傷口上長疤的過程非常相似。因此，我們稱它為一種自我愈合和自我形成的機制。”

目前為止，研究人員已經為這種獨特的電解質制造技術申請了五項專利。研究團隊希望，在未來兩至三年內，以每千瓦時低于100美元的成本，制造出容量為2Ah的固態電池工作原型，接近今天大多數智能手機電池的容量，進一步推進固態電池的商業化進程。

斯坦福大學研發不足10μm的固態電解質

斯坦福大學崔屹課題組設計了一種全新的不足10μm的超薄、柔性、聚合物復合固體電解質，可以確保全固態鋰離子電池的安全性能。

圖1.聚合物-聚合物SPE設計

要點1：設計理念

復合固態電解質必須由堅固、不易燃的主體制成，采用具有垂直排列的納米通道和鋰離子導電SPE填料。高模量主體防止枝晶滲透，而對齊的通道增強SPE填料的離子導電性。復合電解質的超薄和聚合物-聚合物性能使得全電池具有極大的柔韌性，低電解質電阻和潛在的高能量密度。研究團隊采用高模量的納米多孔聚酰亞胺（PI）主體和PEO/鋰雙（三氟甲磺酰基）酰亞胺（LiTFSI）聚合物電解質進行概念驗證，這種PI/PEO/LiTFSI固體電解質中，超薄多孔PI基質厚度僅8.6μm。

要點2：優異性能

雖然商業鋰離子電池的理論能量密度接近480Whkg-1，但是當在計算中考慮金屬殼體，正負極集流器時，理論值減少一半。如果進一步考慮隔板和液體電解質時，能量密度理論值還要進一步降低。然而，當使用PI/PEO/LiTFSI電解質（246Whkg-1）時，全固態電池的能量密度與液體電解質電池的能量密度相當，并且遠高于其他的電解質電池。

全固態電池中超薄超輕的PI/PEO/LiTFSI（1.12mgcm-2）具有與隔膜/液體電解質（1mgcm-2）相似的面積密度，確保其優于其他固體電解質系統。由于全固態LIB的電池外殼可能比液體電解質LIB更簡單，所以固體聚合物-聚合物復合材料LIB的能量密度可能會更高。進一步，通過高容量鋰化學，例如硫和金屬鋰，可以實現更高的能量密度。

由于PI膜不易燃，力學強度高，即使經過1000多小時的循環，也可持續防止電池短路，保證安全性。垂直通道可提高注入的離子電導率（30°C時為2.3×10-4Scm-1），基于PI/PEO/LiTFSI固體電解質制造的全固態鋰離子電池在60°C時具有良好的循環性能（C/2速率下200次循環），并可承受彎曲，切割和釘子穿透等測試。