蘋果新專利解析：全固態(tài)電池到底是何種技術(shù)？

　　在2015年11月份，美國(guó)專利商標(biāo)局公布了蘋果公司一項(xiàng)與固態(tài)電池充電技術(shù)相關(guān)的新專利，這次是便攜設(shè)備的固態(tài)電池充電技術(shù)。

　　實(shí)際上，自2012年來，蘋果公司就已經(jīng)積極開始布局全固態(tài)電池技術(shù)的專利，期待能把這種高能量密度、高安全性、有柔性潛力的新型電池用在iPad、MacBook等設(shè)備以及以后將要發(fā)展的柔性電子設(shè)備上。

　　那么到底全固態(tài)電池到底是一種什么樣的技術(shù)，會(huì)引起蘋果公司的重點(diǎn)關(guān)注呢？

　　什么是全固態(tài)電池？

　　如果通俗地講，全固態(tài)電池就是里面沒有氣體、沒有液體，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钪凶顬槌Ｒ姷碾姵貫殇囯x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。

　　一般來說，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，通過電解質(zhì)（electrolyte）傳導(dǎo)

　　但是很多讀者可能發(fā)現(xiàn)過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)l(fā)生危險(xiǎn)（比如近來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）。另外一般來說，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，以上所說的幾個(gè)安全方面的問題都是與我們現(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。那么說來說去，相比于我們生活中最常見的普通鋰離子電池，全固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)主要有哪些呢？

　　固態(tài)電池有哪些優(yōu)勢(shì)？

　　優(yōu)勢(shì)之一：輕--能量密度高

　　使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會(huì)發(fā)生改變，其中核心的一點(diǎn)就是可以不必使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來做負(fù)極，這樣可以明顯減輕負(fù)極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高。

　　此外，許多新型高性能電極材料，可能之前與現(xiàn)有的電解液體系的兼容性并不好，但是在使用全固態(tài)電解質(zhì)后該問題可以得到一定的緩解。

　　綜合考慮到以上兩大因素，全固態(tài)電池相比于一般鋰離子電池，能量密度可以有一個(gè)較大幅度的提升：現(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)室中，都已經(jīng)可以小規(guī)模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池了（一般鋰離子電池是100-220Wh/kg）。

　　從能量密度的數(shù)據(jù)上看，或許全固態(tài)電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級(jí)到“兩天一充”。

　　另外，電池技術(shù)的前進(jìn)受到電化學(xué)規(guī)律的制約，其容量上升是有理論極限的，一般很難以一個(gè)較大的幅度產(chǎn)生飛越式的、顛覆式的發(fā)展。因此建議廣大讀者擦亮眼睛，一但發(fā)現(xiàn)有性能“翻一/幾番”，“幾分鐘充滿電”，“成本下降70%”一類新聞時(shí)，要加倍警覺，因?yàn)榇祟愋侣勑麄髡`導(dǎo)的嫌疑很大，而背后存在的問題往往總是避而不談。

　　優(yōu)勢(shì)之二：薄--體積小

　　實(shí)際上，體積能量密度對(duì)于電池來說是一個(gè)很重要的參數(shù)，如果就應(yīng)用領(lǐng)域來說，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)、體積能量密度最高的鈷酸鋰（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)體積過大，即體積能量密度偏低，完全無法滿足一般工業(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)之三：柔性化的前景

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

　?。n國(guó)KAIST制備的典型疊層結(jié)構(gòu)的柔性全固態(tài)電池）

　　不僅如此，功能化的全固態(tài)電池潛力遠(yuǎn)不只以上的柔性電池，經(jīng)過電池材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以制成透明電池，或者是拉伸幅度可達(dá)300%的可拉伸電池，或是可以和光伏器件集成化的發(fā)電-存儲(chǔ)一體化器件等等--全固態(tài)電池所意味的功能上的創(chuàng)新應(yīng)用前景還有很多，在這方面科研人員與工程師們的想像力會(huì)給我們帶來越來越多的驚喜。

　　（拉伸變形度可達(dá)300%全固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)示意圖）

　?。ㄌ柲茈姵睾统?jí)電容器一體集成纖維狀器件示意圖）

　　優(yōu)勢(shì)之四：更安全

　　作為一種能量存儲(chǔ)器件，實(shí)際上所有電池在熱力學(xué)實(shí)質(zhì)上都不可能是絕對(duì)安全的。但是電池實(shí)際應(yīng)用中的決定其真正安全性的因素是多方面的，影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質(zhì)，以及電子產(chǎn)品中的電池管理系統(tǒng)等。

　　目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關(guān)心的重點(diǎn)，在這里用“不夠理想”來評(píng)價(jià)現(xiàn)在電池的安全性，應(yīng)該是一個(gè)比較合適的評(píng)價(jià)。

　　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，造成電池的過充放，導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生。

　?。ㄓ眉舻稖p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)問題就可以直接得到解決，而且所得的電池的最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)展的最根本驅(qū)動(dòng)力之一。

　　以上說了全固態(tài)電池的種種優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上，這個(gè)世界上沒有完美無缺的事物，對(duì)于一種技術(shù)的報(bào)道我們認(rèn)為不應(yīng)該只報(bào)喜，不報(bào)憂。因此在這里也必須介紹一下全固態(tài)電池的幾個(gè)缺點(diǎn)。

　　固態(tài)電池的缺點(diǎn)

　　問題之一：快充不現(xiàn)實(shí)

　　缺點(diǎn)一就是固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率總體偏低，低于它們的“前輩”--液態(tài)電解液。這就導(dǎo)致了目前全固態(tài)電池的倍率性能整體偏低，內(nèi)阻較大，高倍率放電時(shí)壓降較大，如果想指望該類技術(shù)能在近期解決電池快充的問題，基本上是不可能的。

　　當(dāng)然了，固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率隨著溫度上升也會(huì)有明顯的提高，所以這就導(dǎo)致了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，就是全固態(tài)電池最好或者說必須在高一點(diǎn)的溫度下工作，才能發(fā)揮良好的性能。因此目前市面上有些使用全固態(tài)電池的產(chǎn)品，實(shí)際上都不是在室溫下工作的，最典型的例子就是法國(guó)已經(jīng)在運(yùn)行的3000余輛使用全固態(tài)電池的出租車（電芯能量密度可以達(dá)到260Wh/kg，優(yōu)于現(xiàn)在商用的普通鋰離子電池）。

　　問題之二：成本依然偏高，制備工藝復(fù)雜，技術(shù)不夠成熟

　　目前的全固態(tài)鋰電池的電解質(zhì)主要有有機(jī)和無機(jī)兩大體系，成本總體偏高，尤其是無機(jī)體系的電池很多采用CVD/PVD等復(fù)雜的工藝制備，生產(chǎn)（沉積薄膜）速度慢，成本昂貴，單體電池容量很小，往往只適合做小型電子器件用的電池。

　　因此現(xiàn)在的全固態(tài)電池如果要和普通鋰離子電池在傳統(tǒng)市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)，并沒有太大的優(yōu)勢(shì)。發(fā)揮全固態(tài)電池本身高安全性、高溫穩(wěn)定性、可能達(dá)到的柔性等其它多功能特性，與傳統(tǒng)鋰離子電池在差異化的市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)，可能是全固態(tài)電池近期內(nèi)比較有希望的市場(chǎng)突破方向。

　?。ǖ湫偷娜虘B(tài)電池，容量只有1.0mAh，只能給小型電子產(chǎn)品供電）

　　不僅如此，全固態(tài)電池現(xiàn)在的制備技術(shù)成熟度總體一般，能形成規(guī)模產(chǎn)能的企業(yè)非常有限，技術(shù)規(guī)?；瘮U(kuò)產(chǎn)需要克服的困難還有很多，仍處于推廣發(fā)展期。但是可以預(yù)期的是，隨著研發(fā)和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，全固態(tài)電池中的科學(xué)和工藝上的問題會(huì)逐漸得到緩解，在未來幾年，該類產(chǎn)品的市場(chǎng)會(huì)迎來蓬勃發(fā)展的機(jī)遇。

　　展望

　　目前全固態(tài)電池主要可以用于電子器件、電動(dòng)汽車、RFID、植入式醫(yī)療設(shè)備、無線傳感器等，主要應(yīng)用于微電池領(lǐng)域。在汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域也有，但是受制于技術(shù)發(fā)展水平，應(yīng)用要少一些。

　　現(xiàn)在已經(jīng)有許多start-ups以及傳統(tǒng)工業(yè)巨頭公司投入到了全固態(tài)電池行業(yè)中。

　　以美國(guó)Seeo公司為例，該公司一直從事全固態(tài)電池的研發(fā)和生產(chǎn)，目前最先進(jìn)的電池能量密度已經(jīng)達(dá)到350Wh/kg，在今年9月，德國(guó)汽車工業(yè)巨頭 BOSCH已經(jīng)完成了對(duì)該公司的收購。不僅如此，Sakti3、Cymbet Corporation、Prologium、包括豐田公司等等，在全固態(tài)電池的研發(fā)生產(chǎn)方面也傾注了很多精力，蘋果公司也在全固態(tài)電池方向做了專利布局，這說明這些大公司是普遍非?？春萌虘B(tài)電池技術(shù)的。

　　總體來說，全固態(tài)電池是電池科研與工業(yè)界公認(rèn)的下一步電池發(fā)展的主流方向已經(jīng)沒有懸念，但是具體到固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率、電池倍率、電池制備效率、成本控制方面，全固態(tài)電池仍然有一段路要走。因此從近期來看，全固態(tài)電池在一些細(xì)分的電子器件產(chǎn)品領(lǐng)域首先取得突破，贏得消費(fèi)者認(rèn)可是比較可行的。而在遠(yuǎn)期，隨著技術(shù)的發(fā)展，相信全固態(tài)電池必將能夠發(fā)揮其能量密度高、安全性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，走入人們的生活，成為推動(dòng)人類文明發(fā)展的重大力量。