自20世纪90年代以来，锂离子电池已发展成为最成熟、应用最广泛的电池技术路线。随着市场对电池能量密度、安全性、经济性等方面要求的日益提升，采用固体电极和固态电解质且具备更高能量密度和安全性的“困态电池”便应运而生。
传统锂离子电池包括正极、负极、电解液、隔膜四大组成部分，固态电池将电解液换成固态电解质。固态电池较之传统锂离子电池，关键区别在于电解质由液体变为固体，兼顾安全性、高能量密度等性能。固态电解质电池是锂电钠电的最终形态，可以彻底解决安全问题，是新能源下半场当仁不让的主角。
一般来说，电池内部主要有正极、负极、隔膜、电解液，而传统的液态电池体系中的电解液占比约为25wt%。
固态电池一般分类有三种，分别是：半固态、准固态以及全固态，它们都可以笼统地统称为固态电池，而区别是它们的液体含量分别是5-10wt%、0-5wt%、Owt%。隔膜是否存在取决于体系中的液体含量，而电解质目前成为了制约固态电池发展的主要因素。
固态电解质的种类及特点
截止目前为止，固态电解质主要分为四类，分别为氧化物固态电解质、硫化物固态电解质、卤化物固态电解质和聚合物固态电解质。首先为氧化物固态电解质，主要以LiPON(Li₂PO,N₂)、LLZO(Li₇La₃Zr₂O₁2)、LATP(Li₁₃Alo₃Ti₁₇(PO₄)₃)、LLTO(Lio33Laos₆TiO₃)为主。
氧化物固态电解质的优势为：室温离子导电率较高，达到105-103S/cm,并且电化学窗口宽、化学稳定性高、机械强度较大；但也存在烧结温度较高和机械加工容易脆裂风险。
硫化物固态电解质，是由氧化物固体电解质衍生出来的，即电解质中的氧化物机体中氧元素被硫元素所取代。S²与O²相比，半径更大，导致离子传导通道更大；电负性更小，与Li+的相互作用更小，极大提高电解质的室温离子电导率。
硫化物固态电解质以Li₂SiP₂SI₂、Li₄A₁yBS₄(A=Ge、Si等，B=P、Al、Zn等及Li₆PS₅X(X=CI,Br,I)为代表，主要优势为：相比于氧化物固态电解质，该电解质的组成变化范围宽，离子电导率更高，离子电导率可达104-102 S/cm。但该电解质也存在以下缺点：1、硫化物遇空气会迅速水解生成H₂S气体，因此电解质合成需在惰性气氛环境下进行，造成研发、制造、运输及储存成本高昂；2、由于S2比O²容易氧化，硫化物电解质在高电压下更易氧化分解，电化学窗口更窄。
卤化物固态电解质化学通式为LiaMXb,源于在卤化锂LiX(X=Br、Cl、F)中引入高价态的过渡金属元素M阳离子，调节Li+及空位浓度进而形成类似Li₈MXb类化合物。
卤化物电解质一般也拥有较高的室温离子电导率，电解质理论离子电导率可达10-2 S/cm量级。常见卤化物电解质有三类：Li₈MCl4、LiaMCl₆及LiaMCl₈类卤化物，前两类的离子电导率可达到10-3S/cm。但卤化物电解质在不同温度下易发生相转变从而影响电导率，并且在空气中易水解，因此合成成本高昂。此外，过渡金属与锂金属反应导致锂负极兼容性较差。
聚合物固态电解质是由高分子量的聚合物和锂盐(如LiCIO4、LiAsF₆、LiPF₆等)组成的体系，具有离子传输能力的聚合物电解质，与碱金属盐配位具有离子导电性。
一般的聚合物基体有醚基聚合物、腈基聚合物、硅氧烷基聚合物、碳酸盐基聚合物、偏氟乙烯基PEO(聚环氧乙烷),在电场作用下，PEO链段中的氧原子和锂离子可以连续的进行配位和解离过程，实现锂离子的迁移，同时PEO对锂盐有较高的溶解度，并且因其质量较轻、黏弹性好、制备工艺简单、不易脆裂、与金属Li电极有良好的界面稳定性，是研究最早且最早实现应用的体系之一。但室温下PEO易结晶，导致其室温离子电导率仅10-6-10-8S/cm(一般实用化需求需要>103S/cm),须在60℃-85℃高温运行；同时，PEO耐受电压平台仅为3.8V较低，只能适配磷酸铁锂正极材料，能量密度受限。
本文源自微信公众号：一起学电池
原文标题：《固态锂电池的概念以及研究背景》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/etCZXzAv6JMYlannLqHcZA
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