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，美國專利商標(biāo)局公布了蘋果公司一項與固態(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)，會引起蘋果公司的重點關(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，我們在這里將默認(rèn)把“全固態(tài)鋰離子電池”當(dāng)做全固態(tài)電池的代表（暫時忽略全固態(tài)鋰硫等新型電池）。

　　本文也會著重介紹全固態(tài)鋰離子電池（以下將全部簡稱為“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)中利潤很高的一個組成部分。

　　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鼓脹，而在更極端的小概率事件下，有的甚至?xí)l(fā)生危險（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急劇縮短，安全性能會也出現(xiàn)很大的問題（所以特斯拉MODEL S會有一套嚴(yán)格的電池溫控系統(tǒng)，就是為此）。

　　實際上，以上所說的幾個安全方面的問題都是與我們現(xiàn)在電池用的有機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)點主要有哪些呢？

　　固態(tài)電池有哪些優(yōu)勢？

　　優(yōu)勢之一：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發(fā)生改變，其中核心的一點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較大幅度的提升：現(xiàn)在許多實驗室中，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，要加倍警覺，因為此類新聞宣傳誤導(dǎo)的嫌疑很大，而背后存在的問題往往總是避而不談。

　　優(yōu)勢之二：薄--體積小

　　實際上，體積能量密度對于電池來說是一個很重要的參數(shù)，如果就應(yīng)用領(lǐng)域來說，要求從高到低是消費電子產(chǎn)品》家用電動汽車》電動公交車。

　　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、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)廠商和消費者希望對電池進(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）的要求下，高壓實、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（主要有有機和無機陶瓷材料兩個體系），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微米，因此就可以制成非常小的電源器件，整合到MEMS（微機電系統(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，而在這一點上傳統(tǒng)的鋰離子電池的技術(shù)是很難達(dá)到的。

　?。ìF(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道這方面的參數(shù)，原因不難理解。

　　優(yōu)勢之三：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。

　　實際上，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會變得有柔性。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給我們帶來越來越多的驚喜。

　?。ɡ熳冃味瓤蛇_(dá)300%全固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)示意圖）

　?。ㄌ柲茈姵睾统夒娙萜饕惑w集成纖維狀器件示意圖）

　　優(yōu)勢之四：更安全

　　作為一種能量存儲器件，實際上所有電池在熱力學(xué)實質(zhì)上都不可能是絕對安全的。但是電池實際應(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，在這里用“不夠理想”來評價現(xiàn)在電池的安全性，應(yīng)該是一個比較合適的評價。

　　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)生燃燒的傾向都會加??；

　　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)用范圍也會更廣。安全性，其實是全固態(tài)電池領(lǐng)域發(fā)展的最根本驅(qū)動力之一。

　　以上說了全固態(tài)電池的種種優(yōu)點。實際上，這個世界上沒有完美無缺的事物，對于一種技術(shù)的報道我們認(rèn)為不應(yīng)該只報喜，不報憂。因此在這里也必須介紹一下全固態(tài)電池的幾個缺點。

　　固態(tài)電池的缺點

　　問題之一：快充不現(xiàn)實

　　缺點一就是固態(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有明顯的提高，所以這就導(dǎo)致了一個有趣的現(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，實際上都不是在室溫下工作的，最典型的例子就是法國已經(jīng)在運行的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)主要有有機和無機兩大體系，成本總體偏高，尤其是無機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)市場上競爭，并沒有太大的優(yōu)勢。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中競爭，可能是全固態(tài)電池近期內(nèi)比較有希望的市場突破方向。

　?。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)和工藝上的問題會逐漸得到緩解，在未來幾年，該類產(chǎn)品的市場會迎來蓬勃發(fā)展的機遇。

　　展望

　　目前全固態(tài)電池主要可以用于電子器件、電動汽車、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，德國汽車工業(yè)巨頭 BOSCH已經(jīng)完成了對該公司的收購。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，走入人們的生活，成為推動人類文明發(fā)展的重大力量。