鋰金屬電池是下一代最具前景的高能量密度存儲設備之一。然而，鋰金屬在循環過程中產生的枝晶可刺破隔膜，引起電池短路甚至爆炸。採用固態電解質代替易燃的液態電解質可從根本上解除鋰金屬電池的安全隱患。
固態鋰電池是一類使用固體電極材料和固體電解質材料的鋰電池。與液態鋰電池，混合固液鋰電池不同，固態鋰電池的電池單體中不含有任何液體電解質、液態溶劑及液態添加劑。
2016年Bollore集團與法國雪鐵龍集團合力推出世界上第一臺使用鋰金屬固態聚合物電池的乘用車後，豐田、松下、三星、三菱以及國內的寧德時代等電池行業領軍企業都已經積極布局固態電池的儲備研發。在2017年2月20日四部委印發的《促進動力電池產業發展行動方案》中，明確指出到2020年，鋰離子動力電池單體能量密度要達到300Wh/kg。
一、超薄柔性聚合物電解質助力高效全固態鋰金屬電池
目前，對聚合物電解質的研究多聚焦在提高其離子電導率。離子電導率由固態電解質的離子電導對電解質厚度和面積進行標準化處理計算得到。不同固態電解質的厚度相差較大，因此，即使電導率相近，厚度的差異導致了鋰離子在固態電解質中遷移距離的不同，直接影響了全固態電池電化學性能和能量密度。
近期，華中科技大學李真教授和黃雲輝教授研究團隊報導了一種可規模化製備的超薄柔性聚合物電解質。他們利用簡單的溶劑揮發法將聚環氧乙烷（PEO）/雙三氟甲烷磺醯亞胺鋰（LiTFSI）聚合物電解質填充至聚乙烯隔膜的孔道內，製備了厚度僅為7.5μm的超薄複合聚合物電解質。
結果表明，採用該超薄固態電解質的全固態電池能夠表現出優異的循環穩定性，LiFeO4電池在60oC可以10C速率快充，在30oC下的比容量可達135 mAh g-1。該固態電解質與高比能正極材料（如硫）或負極材料（如MoS2）組裝成全固態鋰金屬電池可穩定循環。該研究工作製備的簡單、高效且可量產的聚合物電解質有望推動鋰金屬電池的商業化進程。
二、固態聚合物鋰電池失效機制及其表徵技術
近期，中國科學院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員團隊從鋰枝晶生長、正極結構演變與機械失效、界面微結構演變和界面反應、聚合物電解質結構變化的角度出發，回顧了固態聚合物鋰電池失效機制及其表徵技術的研究進展，闡述了固態聚合物鋰電池失效機制的研究思路。
鋰電池的失效行為包括循環容量損失、內阻增大、過充、產氣、內短路、熱失控、日曆失效等。為了深入研究固態聚合物鋰電池的失效機制，探究性能衰減的本質，提出針對性的性能提升策略，首先需要關注並充分了解固態聚合物鋰電池的失效行為。圖1總結了固態聚合物鋰電池的典型失效行為。
圖1 固態聚合物鋰電池的失效行為：（a）NCA/PEO/Li電池的循環性能；（b）上圖為LiFePO4/聚合物電解質/Li電池的循環性能，下圖為電池循環過程中的阻抗變化；（c）LiFePO4/PPC/Li電池在0.1C的過充曲線；（d）LiFePO4/PPC/Li電池在0.1C的充電曲線和m/z=44 （CO2）處對應的DEMS信號；（e）電壓隨時間的變化曲線，嵌入圖為枝晶穿透聚合物電解質時的SEM照片；（f）Li/PVCA/Li的AC阻抗譜；（g）80 °C活化過程中Li/CPPC/Li對稱電池的電化學阻抗變化。
結論
固態聚合物鋰電池存在多種失效行為，而且失效機制還不夠清晰，這嚴重阻礙了電池的性能提升和實際應用。在鋰枝晶生長和正極結構失效機制方面，通過借鑑無機固態鋰電池和液態鋰電池中比較成熟的表徵技術和研究方法，已經取得較為深入的認識。然而，在聚合物電解質結構轉變機制和界面反應機制方面，由於難以製備結構良好的電極/電解質界面且缺乏合適的原位表徵技術，對反應機理的認識還不充分，難以為聚合物分子結構設計和界面構築提供有效的理論指導。
因此，研究失效機制和發展先進的表徵技術是解決固態聚合物鋰電池失效問題的理論基礎和關鍵手段。電極/電解質界面處的電荷轉移和電化學穩定性是固態聚合物鋰電池中最重要的問題，與三維導電網絡、界面電荷轉移動力學、界面電化學反應密切相關，直接影響電池的失效行為。
來源：儲能科學與技術
三、各種界面調控對電池電化學性能的影響規律
青島大學物理學院郭向欣教授根據自己研究團隊在基於LLZO電解質的固態鋰電池中電解質內部界面、負極/固體電解質界面和正極內部界面及其與固體電解質界面問題的研究進展
作者研究團隊利用傳統固相反應，在氧氣燒結氣氛下製備了鋁（Al）和鉭（Ta）共摻雜的LLZO（Al-LLZTO）固體電解質陶瓷片。圖2（a）為氧氣氣氛下燒結的Al-LLZTO的表面SEM圖。可以看出，在燒結過程中，氧氣氣氛有利於減少晶界處孔隙，從而減小晶界對電導率的不利影響。所製備的Al-LLZTO陶瓷片呈立方石榴石相[如圖2（b）所示]，其具有緻密度高（96%）、室溫離子電導率高[7.4×10-4 S/cm，如 2（c）所示]和電化學窗口寬（>5 V）等特點。因此，適當的摻雜和燒結氣氛，有利於優化晶界，減小晶界對電導率的不利影響，從而提高陶瓷電解質緻密度和離子電導率。
此外，其研究團隊還製備了不同鎢（W）摻雜量的LLZO固體電解質陶瓷片，探究鎢摻雜對固體電解質的影響。由XRD圖譜可以看出，W摻雜有利於形成穩定的立方石榴石相，同時SEM圖像也可以看出，燒結過程中W在晶界出溶出有利於低熔點相的形成，從而減少晶粒間殘餘空隙，提高LLZWO的緻密度（96%），降低晶界電阻。
作者基於現有研究結果，提出了固態鋰電池應用方面應滿足的條件。基於陶瓷片的固態鋰電池適合做消費類電子產品供電電源，應滿足以下條件：
（1）陶瓷片室溫電導率應高於10-3 S/cm，厚度應小於500μm；
（2）Li金屬負極與LLZO陶瓷片應形成離子導電中間層，以促進Li離子在界面處的傳輸；
（3）複合正極內部應形成電子和離子複合導電網絡；
（4）正極與LLZO陶瓷片之間應具有更小的界面阻抗，在循環過程中應維持優異的離子電導率。
基於有機—無機複合電解質膜的固態鋰電池適合做動力汽車供電電源，應滿足以下條件：（1）電解質膜電導率應高於10-4 S/cm，厚度應小於50μm；（2）Li金屬負極與電解質膜形成的界面應具有離子導電特性，而正極與電解質膜形成的界面應同時具有離子和電子導電特性；（3）電解質膜中的高分子基體應耐5V以上的高電壓。
同時，作者也對未來固態鋰電池中的界面調控及優化做出展望。通過摻雜、優化燒結條件等，合成高純度固體電解質陶瓷片，優化固體電解質內部界面，可提高其離子電導率。
四、基於製備硫化物基固體電解質的液相合成方法
固體硫化物電解質具有高的鋰離子電導率及低的晶界阻抗，在室溫下對材料進行壓制即可使用，所以，固體硫化物電解質成為全固態鋰電池發展的關鍵材料之一。然而，硫對溼度較為敏感並伴有高壓蒸汽的產生，因此有必要尋找一種簡單、安全且高效的硫化物電解質合成方法。考慮到液相反應能夠在低溫、惰性氣氛保護中進行，這為製備硫化物電解質的可行性開闢了前景。近期，用於製備硫化物基固體電解質以及電解質和電極複合材料的液相合成方法，同時比較了所得複合電極材料在全固態鋰電池中的充放電性能。
圖1 利用液相法合成硫化物電解質的途徑分兩種：
1）懸浮合成法：將Li2S和P2S5溶解於有機溶劑（DME、THF、ACN、EA、DMC及EP）中， 由於Li2S和P2S5在上述溶劑中溶解度較低，因此所得溶液為硫化物電解質的懸浮液，可通過進一步加熱使溶劑蒸發，從而獲得硫化物電解質。
2）溶解-沉澱法：利用溶解度高的有機溶劑（肼、NMP、甲醇和乙醇）進行溶解，獲得均一的溶液，隨後通過加熱即可獲得硫化物電解質沉澱。
兩種方法各有優缺點：以Li2S和P2S5為例，通過懸浮合成的硫化物電解質其合成溫度範圍在80°C —— 300°C，室溫電導率最高可達1.5 × 10-3 S cm-1，但其合成過程中有中間相的生成。同時，利用球磨、超聲等方法可以增加懸浮反應的動力學，縮短合成時間。溶解-沉澱法在製備硫化物電解質的過程中能夠合成熱力學穩定的相，其熱處理溫度範圍在80°C ——320°C，但在該溫度範圍內所得電解質的離子電導率
來源：全固態電池ASSB
在政策的引領下，一場固態鋰電池技術競賽已經開啟，預計混合固液鋰電池2020年有望率先進入終端市場，固態鋰電池2022年開始進入終端市場，最後隨著循環性、倍率、高低溫、安全性等綜合技術指標的提升，逐漸進入電動汽車市場。
16家動力電池供應商固態鋰電池布局對比
國內動力電池供應商固態鋰電池布局情況
寧德時代
開始時間：
2016年
布局方式：
2016年寧德時代正式宣布在硫化物固態電池上的研發路徑。
清陶能源
開始時間：
2002年
布局方式：
2002年，清陶能源創始人團隊開始研發固態電池。
2018年，建成國內第一條固態電池生產線
威格路
開始時間：
2018年
布局方式：
2018年，該公司成立，開始研發固態電池
贛鋒鋰業
開始時間：
2017年
布局方式：
2017年，贛鋒鋰業引入中科院技術團隊著手研發固態電池。
2018年，贛鋒鋰業推出第一代固態電池樣品。
2019年，該公司固態電池生產線將投入生產。
國軒高科
開始時間：
2017年
布局方式：
2017年，國軒高科宣布開始研發固態電池。
2018年，國軒高科在美國與日本開發固態電池生產工藝與設備。
2019年，國軒高科將推出半固態電池的試生產線。
珈偉股份
布局方式：
2016年，珈偉股份發布首例固態鋰電池與快充鋰電池。
2018年，珈偉股份36Ah類固態通過國家機動車質量監督檢驗中心強制性檢驗。
輝能科技
布局方式：
2013年，輝能科技實現了固態電池量產，在中國臺灣建成了G1工廠。
2019年，輝能科技獲得軟銀中國資本1億美元D輪融資。
2019年，輝能科技與天際汽車、蔚來汽車、愛馳汽車達成合作，進行固態電池商業化合作。
北京衛藍
開始時間：
2016年
布局方式：
2016年北京衛藍成立，開始固態電池研發。
2019年，北京衛藍投資5億元，開始建造固態電池工廠。
力神電池
開始時間：
2019年
布局方式：
2019年，力神電池宣布將聚焦固態電池研發
億緯鋰能
布局方式：
2018年，億緯鋰能公開表態一直在研發固態電池。
橫店東磁
布局方式：
2018年，橫店東磁在機構調研中表示將組織研發固態電池。
卡耐新能源
布局方式：
卡耐新能源已經與中科院、哈佛大學、日本佐賀大學等院校合作研發固態電池。
鵬輝能源
布局方式：
鵬輝能源自研固態電池。
天齊鋰業
開始時間：
2018年
布局方式：
2018年，天齊鋰業宣布開始布局固態電池。
中航鋰電
布局方式：
中航鋰電自研固態電池，目前已研發出樣品。
中天科技
開始時間：
2018年
布局方式：
2018年，中天科技宣布與中科院合作開始研究固態電池。