什麼是固態電池

固態電池是放棄了用於固態電池的常規液體電解質的電池，也就是說，電池完全由固態成分組成。與常規電池一樣，它們由陰極、陽極和電解質組成。主要區別在於離子透過一個固體電解質膜從一個電極傳播到另一個電極的機制。

固態電池是下一代牽引電池的新興趨勢，因為它們以低成本提供高效能和安全性。另外，與液體電解質電池相比，它們具有低易燃性，較高的電化學穩定性，較高的陰極電位和較高的能量密度。

固態電解質的型別。固態電池有八種不同的主要類別，每種類別使用不同的電解質材料。它們是鹵化鋰、鈣鈦礦、氫化鋰、石榴石、菱鎂礦、鋰磷氧氮和類似鋰磷氧氮的鋰。由於我們仍在與新興技術打交道，因此研究人員仍在設法將最佳型別的固態電解質用於不同的產品類別。尚無人能作為領導者，但基於硫化物的鋰磷氧氮和石榴石電池目前被認為是最有前途的。

值得注意的是這些型別中的許多在某些方面仍基於鋰（Li），因為它們仍在使用鋰電極。但是許多人選擇新的陽極和陰極電極材料來提高效能。

更大更笨重的電池。到目前為止，固態電池還不適用於智慧手機和平板電腦中，更不用說膝上型電腦或電動汽車了。對於容量更大的大容量固態電池，要求具有接近或匹配液體電解質的優異電導率，這排除了其他有希望的技術。離子傳導測量離子在材料中移動的能力，良好的傳導是大型電池的要求，以確保所需的電流。

鋰離子電池和固態電池之間的主要區別在於，鋰離子電池使用液態電解液，而固態電池則使用固態電解質。

固態電池如何工作

無論化學如何，固態電池都使用氧化還原反應來儲存和傳遞能量。氧化發生在陽極，還原發生在陰極，電池能夠利用此現象儲存能量（電荷）並根據需要釋放能量（放電）。在放電過程中，離子會透過離子導電的固體基質，而不是典型的液體電解質中的離子鹽飽和溶劑狀態。

固態電解質

固態電解質是固體的快速離子導體，它可使離子在整個固體晶體基質中自由移動。快速離子導體最好被認為是介於具有固定離子規則結構的結晶固體與具有自由流動離子的無結構液體電解質之間的材料。固體電解質通常以具有新穎內部結構的凝膠，玻璃和晶體形式出現。在固態電池中，固體電解質必須滿足高離子電導率，低內電阻和高電子電阻的要求。離子電導率越高，功率密度越好，電池的內阻越低。固體電解質與電子的絕緣性越好，自放電率越低，電荷保持率越高。固體電解質的選擇取決於電池的化學性質以及可用於傳導的離子。在鋰離子固態電池的情況下，像LiI/Al2O3這樣的固體電解質是出色的Li+導體。

固態電池和鋰離子電池有什麼區別？

常用鋰離子電池和固態電池之間的主要區別在於，前者使用液體電解質溶液來調節電流，而固態電池則選擇固態電解質。電池的電解質是一種導電的化學混合物，可以使電流在陽極和陰極之間流動。

固態電池的工作方式仍與當前電池相同，但是材料的變化會改變電池的某些屬性，包括最大儲存容量、充電時間、尺寸和安全性。

瞭解固態電池為何如此令人興奮的最佳方法是研究當今市場上鋰離子電池中液體電解質引起的問題。鋰離子電池中的大部分體積歸因於隔板系統和應對鋰電池災難性故障模式所需的安全預防措施。科學家們希望該技術能夠解決的一些更為緊迫的問題。

無電解液洩漏。固態電池最明顯的優勢是避免了電解液洩漏（回想一下那些處理舊玩具中遺留的5號電池漏液帶來的麻煩）。為了發揮作用，電池需要一種介質，在放電和充電過程中離子可以透過該介質傳輸。如果電池由於暴露而變幹，電池破裂將無法繼續工作。在較高速率的應用中，電解液洩漏可能是毀滅性的，造成火災隱患，為短路和其他問題提供了途徑。本質上，使用固體電解質可以避免這種故障模式。固態電池可以透過消除對高階密封劑的需求，對電解質加壓以及包括阻燃故障保護裝置來幫助製造商。

無熱失控。在電池中，熱失控反應是一系列級聯的放熱反應，當電池迅速釋放其儲存的能量時，溫度升高會加速放熱反應。此反應的後果是內部電池溫度升高、壓力升高，液體電解質中的可燃氣體排出以及爆炸和彈片的危險。鋰離子電池中的液體電解質高度易燃，並且破裂引起的洩漏可能導致災難性後果，尤其是在發生汽車事故的情況下。用固體電解質代替易燃液體可以防止發生熱失控。

沒有樹突（鋰枝晶）形成。迴圈壽命或電池可以執行的充電/放電迴圈總數是行業用來判斷電池使用壽命的主要指標。常規液體電解質電池上的關鍵限制因素是在充電過程中在電池內形成金屬沉積的趨勢。這些沉積物會形成樹枝狀晶體，這些樹枝狀晶體會穿透隔離材料並可能引起短路。從根本上講，液體電解質還會侵蝕電池本身內的電極。隨著時間的流逝，金屬會慢慢解離到周圍的液體介質中，在迴圈過程中，電解液會起伏不定。細胞經歷的迴圈越多，不可避免地會在細胞內形成更多的沉積物，從而導致短路。

節省空間。從液體電解質轉換為固體電解質的直接好處是可以提高電池的能量密度。這是因為固態電池不需要在液體電池之間使用大的隔板，而僅需要非常薄的阻擋層即可防止短路。常規的浸液式電池隔膜的厚度為20-30微米。固態技術可使每個隔板的厚度減小到3-4微米，僅透過更換材料即可節省大約7倍的空間。但是，這些分隔器並不是電池內部的唯一元件，其他位也無法縮小得太多，這限制了固態電池的節省空間潛力。

即便如此，當用較小的替代品替代負極時，固態電池最多可以提供兩倍於鋰離子的能量。

壽命更長。固態電解質的反應性通常不如當今的液體或凝膠，因此可以預期使用時間更長，並且僅需2到3年就不需要更換。這也意味著，如果這些電池損壞或遭受制造缺陷，則不會爆炸或著火，這對消費者而言意味著更安全的產品。

在當前的智慧手機中，對於那些希望使用同一部手機多年的人們來說，可更換電池經常會受到追捧，因為一旦出現故障，它們就可以換掉。智慧手機電池通常在一年左右後就無法保持其電量，甚至可能導致硬體在使用數年後變得不穩定，重置甚至停止工作。使用固態電池，智慧手機和其他小工具可以使用更長時間，而無需更換電池。但是，談論液體電池與固體電池是一個過於簡單的話題，因為電池中可以使用許多固體化學化合物，而不僅僅是一種。

總而言之，從消費者的角度來看，所有這些化學差異的主要好處是：充電速度提高了6倍，能量密度提高了2倍，迴圈壽命比2更長，長達10年，並且沒有易燃部件。對於智慧手機和其他行動式裝置而言，這無疑將是一個福音。與鋰離子電池的低成本相比，目前這使得它在消費電池中沒有吸引力。將來，隨著製造技術的改進，成本可能會下降，但與商業上可行的固態電池還有一段距離。

2020年是電動汽車固態電池年嗎？

電池技術的進步繼續吸引著業界的關注，尤其是在電動汽車領域。隨著電動汽車製造商尋求佔據更多的市場份額，增加汽車續航里程以降低成本是當務之急，因為這些因素為更多的潛在買家打開了市場。自從2000年代後期復興以來，鋰離子（Li-ion）電池憑藉其高能量密度，迴圈能力和輕巧性而引領了電動汽車市場。但是，傳統的鋰離子電池技術可能已接近全部潛力，固態電池也即將出現。儘管固態電池已經存在了很長時間，但直到最近幾年，該技術才開始朝著商業應用邁出一些大步。材料科學、計算機建模技術、電化學和製造技術的進步為電池行業開闢了新的可能性。福特、現代、豐田和大眾、比亞的等主要汽車製造商都在投資固態電池研究。生產釋出日期各不相同，但如果豐田實現其目標，固態電池供電的電動汽車有可能在2020年進入市場。

固態電池面臨的最大挑戰是技術問題，限制了商業可行性。例如，對於大型電池組中有效地導電的電池固態部分，確定統一的材料已被證明是開發人員面臨的主要挑戰。金屬鋰由於其高容量潛力和穩定性而被認為是固態電池的主要材料。許多人認為固態電池在商業上還不可行，但由於低溫的潛在問題。固體電解質的物理侷限性使其比液體電解質的導電性差。電導率取決於溫度，因此與當前的鋰離子電池相比，固態電池的能量密度在低溫下可能會降低更多。

如果固態電池能夠在未來3-5年內達到期望，則該技術將極大地改變汽車市場。電動汽車將比預期的價格競爭更早，具有更高的續航能力，並且體積較小。像特斯拉這樣的公司已經將傳統的鋰離子電池加倍，但是固態電池在電動汽車市場上具有強大的破壞潛力。

未來電池的另一個重要功能，不僅是充電速度、重量或密度，還包括蓄電能力。固態電源是解決電動汽車的關鍵問題，固態電池的未來是光明的。

鮮事

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固態電池優點一：安全性高，無自燃、爆炸風險。採用有機電解液的傳統鋰離子電池，在過度充電、內部短路等異常情況下容易導致電解液發熱，有自燃甚至爆炸的危險。全固態鋰電池基於固態材料不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題，且有望克服鋰枝晶現象。半固態、準固態電池仍存在一定的可燃風險，但安全性也較液態電解液電池提高。