苹果的新专利公布 全固态电池是什么样的技术？

　　在今年的11月份，美国专利商标局公布了苹果公司一项与固态电池充电技术相关的新专利，这次是便携设备的固态电池充电技术。

　　(图片来自patentdocs ) 　　实际上，自2012年来，苹果公司就已经积极开始布局全固态电池技术的专利，期待能把这种高能量密度、高安全性、有柔性潜力的新型电池用在iPad、MacBook等设备以及以后将要发展的柔性电子设备上。 　　那么到底全固态电池到底是一种什么样的技术，会引起苹果公司的重点关注呢? 　　什么是全固态电池? 　　如果通俗地讲，全固态电池就是里面没有气体、没有液体，所有材料都以固态形式存在的电池。而考虑到现在人们日常生活中最为常见的电池为锂离子电池，我们在这里将默认把全固态锂离子电池当做全固态电池的代表(暂时忽略全固态锂硫等新型电池)。 　　本文也会着重介绍全固态锂离子电池(以下将全部简称为全固态电池)的各方面，以飨读者。 　　一般来说，锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液、结构壳体等部分组成，其中电解液使得电流可以在电池内部以离子形式传导。电解液技术是锂电池的核心技术之一，也是现在电池工业中利润很高的一个组成部分。

　　锂离子电池的结构示意图，其中Li+(锂离子)在内电路中，通过电解质(electrolyte)传导 　　但是很多读者可能发现过自己的锂电池用久后有的会鼓胀，而在更极端的小概率事件下，有的甚至会发生危险(比如近来的扭扭车的电池爆炸事件，导致了相关的生产企业和电池企业遇到了全面的困难)。另外一般来说，现在的锂离子电池的工作温度范围有限，在40 度以上的高温下寿命会急剧缩短，安全性能会也出现很大的问题(所以特斯拉MODEL S会有一套严格的电池温控系统，就是为此)。 　　实际上，以上所说的几个安全方面的问题都是与我们现在电池用的有机体系的电解液直接相关的。 　　而为了解决电池安全问题，提高能量密度，目前科研界和工业界都在研发以及生产全固态电池，也就是把传统的锂离子电池的隔膜和电解液，换成固态的电解质材料。那么说来说去，相比于我们生活中最常见的普通锂离子电池，全固态电池的优点主要有哪些呢? 　　固态电池有哪些优势? 　　优势之一：轻能量密度高 使用了全固态电解质后，锂离子电池的适用材料体系也会发生改变，其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极，而是直接使用金属锂来做负极，这样可以明显减轻负极材料的用量，使得整个电池的能量密度有明显提高。 　　此外，许多新型高性能电极材料，可能之前与现有的电解液体系的兼容性并不好，但是在使用全固态电解质后该问题可以得到一定的缓解。 　　综合考虑到以上两大因素，全固态电池相比于一般锂离子电池，能量密度可以有一个较大幅度的提升：现在许多实验室中，都已经可以小规模批量试制出能量密度为300-400Wh/kg的全固态电池了(一般锂离子电池是100-220Wh/kg)。 　　从能量密度的数据上看，或许全固态电池真的有希望让我们的生活从一天一充升级到两天一充。 　　另外，电池技术的前进受到电化学规律的制约，其容量上升是有理论极限的，一般很难以一个较大的幅度产生飞越式的、颠覆式的发展。因此建议广大读者擦亮眼睛，一但发现有性能翻一/几番，几分钟充满电，成本下降70%一类新闻时，要加倍警觉，因为此类新闻宣传误导的嫌疑很大，而背后存在的问题往往总是避而不谈。 　　优势之二：薄体积小 　　实际上，体积能量密度对于电池来说是一个很重要的参数，如果就应用领域来说，要求从高到低是消费电子产品>家用电动汽车>电动公交车。 　　如果通俗地讲，就是体积能量密度高了，因此相同质量的电池才能做的体积更小。 　　电子产品中的可用空间往往很有限，很多产品(例手机、平板电脑)有近1/3左右的体积和质量已经被电池占据，而且在广大生产厂商和消费者希望对电池进一步提高容量(增加续航)和压缩体积(便携美观和便于设计)的要求下，高压实、体积能量密度最高的钴酸锂(LCO)电池依然是当仁不让的主流产品。 　　传统锂离子电池中，需要使用隔膜和电解液，它们加起来占据了电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代(主要有有机和无机陶瓷材料两个体系)，正负极之间的距离(传统上由隔膜电解液填充，现在由固态电解质填充)可以缩短到甚至只有几到十几个微米，这样电池的厚度就能大大地降低因此全固态电池技术是电池小型化，薄膜化的必经之路。 　　不仅如此，很多经过物理/化学气相沉积(PVD/CVD)制备的全固态电池，其整体厚度可能只有几十个微米，因此就可以制成非常小的电源器件，整合到MEMS(微机电系统)领域中。能够制成体积非常小的电池也是全固态电池技术的一大特色，这可以方便电池适应各种新型小尺寸智能电子设备的应用，而在这一点上传统的锂离子电池的技术是很难达到的。

　　(现在锂离子电池各组分的(a)体积占比和(b)质量占比) 　　目前许多纳米材料实用的一大关键障碍就在于比表面积大，体积密度过低，导致如果基于这些材料制成产品，往往相同质量下占据体积过大，即体积能量密度偏低，完全无法满足一般工业品的要求。所以现在的纳米(电池)材料科研中往往选择了不报道这方面的参数，原因不难理解。 　　优势之三：柔性化的前景 　　全固态电池可以经过进一步的优化，变成柔性电池，从而带来更多的功能和体验。 　　实际上，即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米级以下后经常是可以弯曲的，材料会变得有柔性。相应的，全固态电池在轻薄化后柔性程度也会有明显的提高，通过使用适当的封装材料(不能是钢性的外壳)，制成的电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。实际上，以各种可穿戴设备为代表的柔性电子器件是下一代电子产品发展的重要方向，而这就要求该产品中的元件同样需要具有柔性，因此柔性全固态电池是科研与工业界中，非常有前景的明日之星。

　　(韩国KAIST制备的典型叠层结构的柔性全固态电池)