摘 要： 鋰離子電池已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的諸多方面。然而，隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車對(duì)鋰離子電池能量密度和安全性能要求的不斷提升，開(kāi)發(fā)兼顧兩者性能的高性能鋰離子電池迫在眉睫?；趥鹘y(tǒng)液態(tài)有機(jī)碳酸酯類電解液的鋰離子電池存在電解液泄漏、揮發(fā)、燃燒、爆炸等潛在安全隱患。相對(duì)于無(wú)機(jī)全固態(tài)鋰電池而言，全固態(tài)聚合物鋰電池更容易大規(guī)模制造，是實(shí)現(xiàn)鋰電池高能量密度和高安全性的相對(duì)理想的解決方案。作為全固態(tài)聚合物鋰電池的最核心部件，全固態(tài)聚合物電解質(zhì)起著至關(guān)重要的作用?；诖?，本文重點(diǎn)論述了聚環(huán)氧乙烷、聚硅氧烷、脂肪族聚碳酸酯等幾種典型全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的科研進(jìn)展。與此同時(shí)，還對(duì)近幾年國(guó)內(nèi)外知名公司企業(yè)以及科研院所在全固態(tài)聚合物鋰電池方面的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和專利布局進(jìn)行了系統(tǒng)分析。文末還對(duì)全固態(tài)聚合物鋰電池用高性能全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)制備、新型鋰鹽開(kāi)發(fā)、正極材料黏結(jié)劑、負(fù)極優(yōu)化、界面構(gòu)筑調(diào)控、制備成型工藝等方面面臨的主要挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞： 全固態(tài)聚合物電解質(zhì)；高性能；全固態(tài)聚合物鋰電池；科研進(jìn)展；發(fā)展趨勢(shì)
鋰離子電池在智能手機(jī)、筆記本電腦、iPad等多種3 C智能便攜式電子設(shè)備、動(dòng)力電池和儲(chǔ)能等領(lǐng)域發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，與此同時(shí)也在促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源綠色轉(zhuǎn)化等方面具有諸多現(xiàn)實(shí)意義。在國(guó)家層面，國(guó)家“十三五”規(guī)劃也逐漸加大了對(duì)新能源汽車的重視，新能源汽車的核心部件是動(dòng)力電池。然而，傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池由于采用液態(tài)電解液，存在易泄漏、易揮發(fā)、易燃燒等安全隱患，安全性有待進(jìn)一步提高。與此同時(shí)，液態(tài)鋰電池的能量密度已經(jīng)接近其上限。因此盡快實(shí)現(xiàn)從液態(tài)鋰離子電池到全固態(tài)鋰電池的轉(zhuǎn)變，是解決動(dòng)力電池安全性能和能量密度的重要途徑。研發(fā)高性能全固態(tài)電解質(zhì)成為科研界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。全固態(tài)電解質(zhì)分為無(wú)機(jī)全固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)聚合物電解質(zhì)兩大類。無(wú)機(jī)全固態(tài)電解質(zhì)在較寬溫度范圍內(nèi)能保持化學(xué)穩(wěn)定性，并且機(jī)械強(qiáng)度更好，室溫離子電導(dǎo)率更高，但其脆性較大，加工性能不好。相比較而言，全固態(tài)聚合物電解質(zhì)離子電導(dǎo)率偏低，但其成型容易，更適宜大規(guī)模生產(chǎn)，因此發(fā)展前景更好。按照基體的不同，全固態(tài)聚合物電解質(zhì)主要包括聚環(huán)氧乙烷、聚硅氧烷和脂肪族聚碳酸酯等幾種類型。
1 聚環(huán)氧乙烷基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)
聚環(huán)氧乙烷基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)是研究最早、最多也是最全的的一類體系。1973年，英國(guó)Sheffield大學(xué)教授WRIGHT等發(fā)現(xiàn)聚環(huán)氧乙烷（PEO）加入堿金屬鹽后，具有離子傳導(dǎo)性。ARMAND等建議將PEO用于聚合物電解質(zhì)材料。
為深刻理解全固態(tài)聚合物電解質(zhì)結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能的構(gòu)效關(guān)系，科學(xué)家對(duì)聚環(huán)氧乙烷基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)機(jī)理，電極/聚合物電解質(zhì)界面性質(zhì)以及聚合物與導(dǎo)電鹽相互作用等相關(guān)基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行了研究。1993年，BRUCE等利用DSC、NMR、交流阻抗譜等技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)鋰離子在 PEO 晶相中是可以發(fā)生遷移的（圖1）。之后，華東師范大學(xué)CHEN等通過(guò)高分辨C13二維交叉固態(tài)核磁共振技術(shù)證實(shí)，離子在PEO晶相中的定向遷移伴隨著兩個(gè)過(guò)程，一是伴隨離子遷移的聚合物分子鏈段的局部運(yùn)動(dòng)；另一個(gè)則是離子運(yùn)動(dòng)伴隨著離子配位位置在聚合物鏈內(nèi)和鏈間的變換。美國(guó)猶他大學(xué)SMITH等通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)離子傳導(dǎo)主要在 PEO無(wú)定形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，一個(gè)Li+約與五個(gè)醚氧原子發(fā)生配位作用，且Li+的傳輸與PEO鏈段的局域松弛密切相關(guān)。最近，美國(guó)佛羅里達(dá)州國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的HU等通過(guò)選擇性同位素標(biāo)記高分辨固態(tài)核磁技術(shù)研究了Li+的局域結(jié)構(gòu)環(huán)境，并追蹤到Li+在PEO/鋰鑭鋯氧（LLZO）復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中的遷移路徑，這有利于我們更深刻地洞察復(fù)合全固態(tài)電解質(zhì)的離子傳輸機(jī)制。
圖1 PEO3/LiCF3SO3的核磁共振碳譜圖
純PEO全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率約為10-8～10-7 S/cm，原因主要?dú)w結(jié)于PEO結(jié)晶度高，限制了聚合物鏈段的局部松弛運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而阻礙了鋰離子在聚合物中離子配位點(diǎn)之間的快速遷移。針對(duì)聚環(huán)氧乙烷基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)所存在的問(wèn)題，科研人員主要從抑制聚合物結(jié)晶（接枝共聚、嵌段共聚、摻雜納米顆粒和無(wú)機(jī)快離子導(dǎo)體）、降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、增加載流子濃度、提高鋰離子遷移數(shù)及增加聚合物電解質(zhì)與鋰電極之間的界面穩(wěn)定性等方面開(kāi)展了一系列工作（圖2）。SEKI課題組采用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合理念制備出可用于高電壓電池的全固態(tài)聚合物電解質(zhì)體系；COATES團(tuán)隊(duì)利用交聯(lián)方法得到聚乙烯/聚環(huán)氧乙烷全固態(tài)聚合物電解質(zhì)，可有效抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，提高其長(zhǎng)循環(huán)和安全特性；斯坦福大學(xué)的CUI等采用原位合成SiO2納米微球和聚環(huán)氧乙烷的制備工藝，降低基體材料的結(jié)晶度，提高室溫離子電導(dǎo)率；法 國(guó)ARMAND等開(kāi)發(fā)了一款單離子全固態(tài)聚合物電解質(zhì)（圖2），離子遷移數(shù)接近1，可以顯著降 低濃差極化，提高充放電速率，但這款聚合物電 解質(zhì)需要在高溫（60 ℃及以上）的溫度下才可以 運(yùn)行。
圖2 PEO/LLZTO/LiTFSI不同比例復(fù)合全固態(tài)電解質(zhì)的示意圖
雖然改性后的PEO全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率已經(jīng)接近10-5～10-4 S/cm，但仍難以滿足全固態(tài)聚合物鋰電池對(duì)室溫離子電導(dǎo)率和快速充放電的要求，因此需要做更多的努力。與此同時(shí)，還需要進(jìn)一步提升PEO基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的抗高電壓穩(wěn)定性和尺寸熱穩(wěn)定性等多方面性能，可以考慮在PEO鏈段上引入抗高電壓的官能團(tuán)以及引入高耐熱的聚合物剛性骨架材料。
2 聚硅氧烷基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)體系
不同于聚環(huán)氧乙烷，聚硅氧烷尺寸熱穩(wěn)定性好，不容易燃燒，并且其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低，因此制備得到的全固態(tài)聚合物電解質(zhì)安全性更高，室溫離子傳導(dǎo)更容易。相關(guān)聚硅氧烷基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)列于表1。
表1 聚硅氧烷基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式及其電化學(xué)性能
將硅氧烷鏈段與低聚氧化乙烯鏈段結(jié)合的方式進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，使聚合物兼具無(wú)機(jī)聚合物和有機(jī)聚合物的特性，以提高聚合物電解質(zhì)的綜合性能。MACFARLAN等從降低聚合物電解質(zhì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)合成了一系列主鏈為—Si—O—(CH2CH2O)n—的硅氧烷類聚合物。結(jié)果表明該聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度介于聚硅氧烷和聚氧化乙烯之間，且該全固態(tài)聚合物電解質(zhì)體系的離子電導(dǎo)率高于聚氧化乙烯類電解質(zhì)體系。FISH等將聚硅氧烷作為主鏈，聚氧化乙烯鏈段作為側(cè)鏈，制備得到新的聚合物體系，其室溫離子電導(dǎo)率最高為7×10-5 S/cm。
通過(guò)調(diào)節(jié)聚合物中聚氧化乙烯鏈段和碳酸酯鏈段的相對(duì)含量可以進(jìn)一步調(diào)整聚合物體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和介電常數(shù)，中南大學(xué)劉晉等以三甲氧乙氧基硅丙基和碳酸丙烯酯基為側(cè)鏈，設(shè)計(jì)合成了結(jié)構(gòu)為表1所示的VC-PHMS聚合物。該全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率為1.55×l0-4 S/cm（其中碳酸丙烯酯基與甲氧乙氧基的比例為6∶4）。為解決固態(tài)聚合物電解質(zhì)離子遷移數(shù)偏低的瓶頸問(wèn)題，SHRIVER等將單離子導(dǎo)體—N—SO2—CF3結(jié)構(gòu)引入到聚硅氧烷的側(cè)鏈上，實(shí)現(xiàn)束縛陰離子遷移，提高鋰離子遷移數(shù)，設(shè)計(jì)合成了表1所示的PS-TFSI聚合物體系，該聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是-67 ℃，室溫離子電導(dǎo)率是1.3×l0-6 S/cm。
聚硅氧烷基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其從基礎(chǔ)研究到中試放大甚至產(chǎn)業(yè)化，還是需要解決如下問(wèn)題：成本問(wèn)題、制造加工成型以及與正負(fù)極的界面相容性等。
3 脂肪族聚碳酸酯基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)
要獲得室溫離子電導(dǎo)率更高的全固態(tài)聚合物電解質(zhì)，就要對(duì)聚合物官能團(tuán)和鏈段結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和有效選擇才能夠有效減弱陰陽(yáng)離子間相互作用，鏈段柔順性好的無(wú)定形結(jié)構(gòu)聚合物是一類理想的全固態(tài)聚合物電解質(zhì)基體材料，脂肪族聚碳酸酯就是其中一類。脂肪族聚碳酸酯基全固態(tài)聚合物含有強(qiáng)極性碳酸酯基團(tuán)，介電常數(shù)高，是一類高性能全固態(tài)聚合物電解質(zhì)。主要包括聚三亞甲基碳酸酯、聚碳酸乙烯酯、聚碳酸丙烯酯和聚碳酸亞乙烯酯等，其結(jié)構(gòu)式如表2所示。
表2 四種脂肪族聚碳酸酯的結(jié)構(gòu)式
聚三亞甲基碳酸酯是一種在室溫下呈橡膠態(tài)的無(wú)定形聚合物，尺寸熱穩(wěn)定性好。聚三亞甲基碳酸酯基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)電化學(xué)窗口普遍在4.5 V以上，但由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間位阻的影響，其室溫離子電導(dǎo)率偏低。
聚碳酸乙烯酯（PEC）基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的電化學(xué)性能，如表3所示。
表3 PEC基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)電化學(xué)性能
聚碳酸丙烯酯（PPC）是一種由二氧化碳和氧化丙烯共聚反應(yīng)得到的新型可降解脂肪族聚碳酸酯，每一個(gè)重復(fù)單元中也都有一個(gè)極性很強(qiáng)的碳酸酯基團(tuán)。崔光磊等通過(guò)調(diào)節(jié)不同取代基和側(cè)鏈官能團(tuán)，設(shè)計(jì)出一款聚碳酸丙烯酯（PPC）室溫全固態(tài)聚合物電解質(zhì)，室溫離子電導(dǎo)率達(dá)到10-4 S/cm。原因在于PPC具有無(wú)定形結(jié)構(gòu)，且具有更加柔順的鏈段，“剛?cè)岵?jì)”聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)理念更有利于實(shí)現(xiàn)鋰離子在鏈段中的遷移。為進(jìn)一步提升離子電導(dǎo)率，該課題組進(jìn)一步構(gòu)建了聚碳酸丙烯酯/ LLZTO的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合全固態(tài)電解質(zhì)，并利用分子動(dòng)力學(xué)模擬，進(jìn)一步研究了高室溫離子電導(dǎo)率的內(nèi)在原因。
探索新型全固體聚合物電解質(zhì)的成型工藝，對(duì)于制備高性能固態(tài)聚合物鋰電池也是十分必要的。眾所周知，在液態(tài)鋰離子電池中，碳酸亞乙烯酯（VC）常被用作SEI成膜劑?；谔妓醽喴蚁ブ写嬖诳删酆想p鍵以及減少固態(tài)鋰電池中固/固接觸阻抗等方面的考慮，崔光磊等以VC為單體，在引發(fā)劑存在情況下，原位構(gòu)筑了聚碳酸亞乙烯酯基固態(tài)聚合物電解質(zhì)。結(jié)果表明，該固態(tài)聚合物電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率高（2.23 × 10-5 S/cm），電化學(xué)窗口寬（4.5 V），固/固接觸阻抗低，大大提升了固態(tài)聚合物鋰電池的倍率充放電性能以及長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn) 定性。
脂肪族聚碳酸酯基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)固然具有耐熱性好、離子電導(dǎo)率相對(duì)較高等優(yōu)點(diǎn)，但離子電導(dǎo)率仍需進(jìn)一步的提升以滿足全固態(tài)鋰電池對(duì)倍率充放電的苛刻要求；同時(shí)還需要充分研究和考察其與各種電極材料的電化學(xué)和化學(xué)兼容性，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高性能全固態(tài)聚合物鋰電池儲(chǔ)備更多技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。
4 全固態(tài)聚合物鋰電池的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和專利分析
4.1 國(guó)內(nèi)外全固態(tài)聚合物鋰電池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
1973年，WRIGHT教授等發(fā)現(xiàn)PEO/鹽絡(luò)合物顯示出離子傳導(dǎo)特性。從此，PEO基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)得到了迅猛發(fā)展。法國(guó)BOLLORE公司率先實(shí)現(xiàn)PEO全固態(tài)聚合物鋰電池的產(chǎn)業(yè)化。賓夕法尼亞已經(jīng)和法國(guó)Autolib汽車公司合作由Autolib為其生產(chǎn)Bluecar。Bluecar采用全固態(tài)聚合物鋰金屬電池。Bluecar于2011年10月正式進(jìn)入法國(guó)巴黎汽車租賃市場(chǎng)，現(xiàn)在已有近5000輛汽車徜徉于巴黎的大街小巷。但其較高的運(yùn)行溫度仍然需要引起關(guān)注。美國(guó)SEEO公司的全固態(tài)聚合物鋰電池的技術(shù)路線也是PEO基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)，該公司2015年被德國(guó)BOSCH集團(tuán)收購(gòu)。
國(guó)內(nèi)固態(tài)聚合物鋰電池示范應(yīng)用方面：中國(guó)科學(xué)院生物能源與過(guò)程研究所的崔光磊課題組等針對(duì)目前鋰金屬電池用全固態(tài)聚合物電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率、力學(xué)強(qiáng)度和電化學(xué)窗口等不能兼顧的瓶頸問(wèn)題，提出了“剛?cè)岵?jì)”聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)理念。開(kāi)發(fā)出多款剛性骨架支撐材料，并設(shè)計(jì)和制備出多種脂肪族聚碳酸酯、聚氰基丙烯酸酯等多種新型柔性離子傳輸材料新體系，結(jié)合“剛?cè)岵?jì)”的設(shè)計(jì)理念，構(gòu)筑了多元協(xié)同體系，發(fā)揮不同材料優(yōu)勢(shì)，通過(guò)路易斯酸堿等相互作用，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)聚合物電解質(zhì)電化學(xué)穩(wěn)定性的提升，有效構(gòu)筑出綜合性能優(yōu)異的全固態(tài)聚合物電解質(zhì)。同時(shí)協(xié)同提升電池界面安全性、界面穩(wěn)定性和相容性，用于全固態(tài)聚合物鋰電池，展示出較好的倍率以及長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。
與此同時(shí)，該課題組開(kāi)發(fā)的固態(tài)鋰電池得到第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測(cè)和認(rèn)證：能量密度達(dá)到291.6 W·h/kg，循環(huán)壽命超過(guò)850次，通過(guò)多次穿釘實(shí)驗(yàn)（圖3），安全性極佳；另外固態(tài)鋰電池還完成萬(wàn)米全海深示范應(yīng)用，標(biāo)志著中國(guó)科學(xué)院突破全海深電源技術(shù)瓶頸，掌握全海深電源系統(tǒng)的核心技術(shù)。該技術(shù)的突破得到了國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的批示和高度評(píng)價(jià)，與此同時(shí)還受到中央電視臺(tái)（CCTV）等多家主流媒體的播報(bào)。
圖3 固態(tài)鋰電池通過(guò)4次穿釘實(shí)驗(yàn)
4.2 全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的專利分析
統(tǒng)計(jì)到2017年底，全固態(tài)聚合物電解質(zhì)所涉及的專利數(shù)量共有1228件。從近幾年的技術(shù)熱點(diǎn)來(lái)看，搖椅式電池相關(guān)的專利最近三年（2015—2017年）的專利申請(qǐng)量達(dá)到其專利總量的36.51%，表明該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展較快。
全球全固態(tài)聚合物電解質(zhì)專利申請(qǐng)量排名前18位的專利權(quán)人情況如表4所示。其中前4名的專利數(shù)量較多，均達(dá)到了30件。前10名專利權(quán)人全部來(lái)自日本與韓國(guó)，并且都為全球知名企業(yè)，可見(jiàn)日本、韓國(guó)在全固態(tài)聚合物電解質(zhì)這一領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先態(tài)勢(shì)。中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所、中南大學(xué)在該領(lǐng)域的專利數(shù)量進(jìn)入全球前18名，分別排第11名與18名。在前10名專利權(quán)人機(jī)構(gòu)中，日本的專利權(quán)人最多，占據(jù)8席，它們分別是：豐田汽車公司、日立公司、日產(chǎn)汽車公司、三洋電子、東芝電池公司、日本大創(chuàng)公司、松下集團(tuán)以及索尼集團(tuán)。此外，韓國(guó)占據(jù)2席，分別是三星電子公司與LG化學(xué)公司，并且包攬?jiān)擃I(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量的前2名。
表4 主要專利權(quán)人情況
各主要專利權(quán)人在專利技術(shù)保護(hù)區(qū)域規(guī)劃方面，表現(xiàn)出以本國(guó)市場(chǎng)為主兼顧國(guó)際市場(chǎng)的布局特點(diǎn)。以LG化學(xué)公司為代表的韓國(guó)機(jī)構(gòu)重視在韓國(guó)、日本、美國(guó)、中國(guó)申請(qǐng)專利，并在歐專局也開(kāi)展專利申請(qǐng)。以豐田汽車公司為代表的日本機(jī)構(gòu)，除關(guān)注本國(guó)市場(chǎng)外，也積極在韓國(guó)、美國(guó)申請(qǐng)較多專利。國(guó)外主要機(jī)構(gòu)大多在中國(guó)申請(qǐng)了專利。LG化學(xué)公司在中國(guó)申請(qǐng)的專利數(shù)量達(dá)到28件。東芝公司暫未在中國(guó)申請(qǐng)專利。
中國(guó)的兩家專利權(quán)人中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所與中南大學(xué)基本只在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了專利布局，表明國(guó)內(nèi)研究者的專利保護(hù)意識(shí)相對(duì)較弱。中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所在PCT和歐專局申請(qǐng)了一項(xiàng)專利，該專利為WO2016127786 A1（一種全固態(tài)聚合物電解質(zhì)及其制備和應(yīng)用）。筆者認(rèn)為，為進(jìn)一步加強(qiáng)中國(guó)科研機(jī)構(gòu)和公司在國(guó)際上的影響力，應(yīng)加強(qiáng)全固態(tài)聚合物電解質(zhì)原始核心技術(shù)的開(kāi)發(fā)，逐步加大國(guó)際專利的申請(qǐng)力度，進(jìn)而形成良好的專利布局。
5 結(jié)論、挑戰(zhàn)與展望
對(duì)比液態(tài)鋰離子電池，全固態(tài)聚合物鋰電池在高安全性和高能量密度方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。全固態(tài)聚合物電解質(zhì)作為其中最重要的一環(huán)，作用和研究意義重大。經(jīng)過(guò)近40多年的發(fā)展，全固態(tài)聚合物電解質(zhì)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，其應(yīng)用前景也十分廣闊。因此，本文重點(diǎn)對(duì)幾種典型全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)進(jìn)展和專利布局進(jìn)行了系統(tǒng)分析。從目前趨勢(shì)來(lái)看，要全面推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)全固態(tài)聚合物鋰電池的商業(yè)化但仍面臨諸多挑戰(zhàn)，需要科研工作者在基礎(chǔ)科學(xué)研究和工藝開(kāi)發(fā)等多方面做諸多努力。全固態(tài)聚合物鋰電池的開(kāi)發(fā)是一個(gè)系統(tǒng)的工程，涉及高性能全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)制備、新型鋰鹽開(kāi)發(fā)、正極材料黏結(jié)劑合成、負(fù)極優(yōu)化、界面構(gòu)筑調(diào)控、制備成型工藝等多方面內(nèi)容，存在諸多挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
（1）高性能全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)制備：① 應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)固態(tài)聚合物鋰電池失效機(jī)制的研究，以指導(dǎo)和反饋固態(tài)聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)；② 考慮到固態(tài)聚合物鋰電池充放電時(shí)間的需要，固態(tài)聚合物電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率需要進(jìn)一步的提升，爭(zhēng)取室溫離子電導(dǎo)率做到10-4 S/cm；③ 智能（阻燃、防熱沖擊、自修復(fù)等）固態(tài)聚合物電解質(zhì)的制備；④ 隨著可穿戴設(shè)備的發(fā)展，可拉伸或柔性固態(tài)聚合物電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為研究重點(diǎn)。
（2）新型鋰鹽開(kāi)發(fā)：① 耐熱溫度更高、對(duì)空氣更穩(wěn)定的新型鋰鹽；② 高鋰離子遷移數(shù)更高（接近1）的新型鋰鹽。
（3）正極材料黏結(jié)劑合成：① 黏結(jié)性要強(qiáng)，全固態(tài)鋰電池中，高面密度條件（對(duì)于鈷酸鋰等電極來(lái)講，需要達(dá)到20 mg/cm2以上; 對(duì)于硫正極來(lái)講，需要達(dá)到6 mg/cm2以上）下，不掉料；② 高面密度正極條件下放電比容量的發(fā)揮至關(guān)重要。因此開(kāi)發(fā)更有利于鋰離子傳導(dǎo)的黏結(jié)劑，在極特殊條件下，既傳導(dǎo)鋰離子又傳導(dǎo)電子的雙導(dǎo)黏結(jié)劑也是未來(lái)發(fā)展的重要方向。
（4）負(fù)極優(yōu)化：① 創(chuàng)新優(yōu)化并開(kāi)發(fā)高性能的新型全固態(tài)聚合物電解質(zhì)體系，開(kāi)發(fā)兼顧高電壓（大于4.35 V）正極（高電壓鈷酸鋰、三元正極等）和保護(hù)鋰負(fù)極的多功能固態(tài)聚合物電解質(zhì)，以便進(jìn)一步提升能量密度；② 鋰金屬?gòu)?fù)合電極的開(kāi)發(fā)。
（5）界面構(gòu)筑調(diào)控：① 采用多種原位、非原位測(cè)試手段闡明固態(tài)聚合物電解質(zhì)離子傳輸機(jī)理和界面穩(wěn)定機(jī)制；② 為了有效減少固/固接觸阻抗，界面軟材料（如正極界面可用塑晶材料等，負(fù)極界面采用寡聚物等）也是可以考慮的一個(gè)思路。
（6）制備成型工藝：除了刮膜和原位成型技術(shù)之外，還需要探索固態(tài)聚合物電解質(zhì)新的成型和制備手段。
第一作者：張建軍（1984—），男，助理研究員，研究方向?yàn)殇嚕ㄢc）電池用高性能隔膜和聚合物電解質(zhì)，E-mail：zhang_jj@qibebt.ac.cn；通訊聯(lián)系人：崔光磊，研究員，研究方向?yàn)楦咝阅軆?chǔ)能電池材料，E-mail：cuigl@qibebt.ac.cn。
引用本文：張建軍, 董甜甜, 楊金鳳, 張敏, 崔光磊. 全固態(tài)聚合物鋰電池的科研進(jìn)展、挑戰(zhàn)與展望[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2018, 7(5): 861-868.
ZHANG Jianjun, DONG Tiantian, YANG Jinfeng, ZHANG Min, CUI Guanglei. Research progress, challenge and perspective of all-solid-state polymer lithium batteries[J]. Energy Storage Science and Technology, 2018, 7(5): 861-868.
