固態(tài)鋰離子電池由于具有安全性高、能量密度高等優(yōu)勢，已成為未來鋰離子電池發(fā)展的必經(jīng)之路。其中，固態(tài)電解質(zhì)作為固態(tài)電池差別于傳統(tǒng)液態(tài)電池的核心部件，已逐漸受到各國重視。本文介紹了三類固態(tài)電解質(zhì)：聚合物、氧化物和硫化物固態(tài)電解質(zhì)，分析了目前最新研究進展和突出研究成果。其中，聚合物電解質(zhì)具有黏彈性好、機械加工性能優(yōu)、質(zhì)量輕等特點。氧化物固態(tài)電解質(zhì)研究時間較長，本文簡要介紹了鈣鈦礦型、NASICON型、Garnet型電解質(zhì)。而硫化物電解質(zhì)因具有較高的離子電導率，近年來也廣受關注。最后對固態(tài)電解質(zhì)的專利申請進行分析，期于讓讀者了解不同地區(qū)固態(tài)電解質(zhì)的研究水平與進展，倡議加大相關研究經(jīng)費的投入，為相關公司、高校尋求合作供應選擇與建議。

關鍵詞：固態(tài)電解質(zhì)；全固態(tài)鋰離子電池；專利分析

目前，全球范圍內(nèi)的化石能源逐步出現(xiàn)枯竭危機，環(huán)境污染問題顯著，因此加速發(fā)展清潔能源成為重中之重。廣大研究者將研究目標定為如何建立清潔高效的能源體系，進而降低傳統(tǒng)工業(yè)對化石能源的消耗。鋰離子電池具有電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命長、電化學窗口寬等優(yōu)點，因而成為廣泛應用的儲能設備。但傳統(tǒng)鋰離子電池因采用液態(tài)電解液，不可防止地存在安全隱患，因此，開發(fā)固態(tài)鋰離子電池可從根本上解決這一問題。全固態(tài)鋰離子電池的結構包括正極、固態(tài)電解質(zhì)和負極。其中固體電解質(zhì)在傳導鋰離子的同時，也起到了隔膜用途，可以阻止電子傳輸。

固態(tài)鋰離子電池與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，重要有以下優(yōu)點：一是安全性高。傳統(tǒng)鋰離子電池以液態(tài)有機物充當電解質(zhì)，可能發(fā)生自燃甚至爆炸事故，而固態(tài)電池自燃或者爆炸的風險顯著減小。二是能量密度高。固態(tài)電池的正負極材料得到優(yōu)化、制造步驟得到簡化、非活性成分減少，可以提高能量密度。三是循環(huán)壽命長。固態(tài)電解質(zhì)較難泄漏、揮發(fā)，長期循環(huán)時電解質(zhì)不會出現(xiàn)干涸問題，因此電池壽命較長。四是工作溫度范圍寬。高溫時，液態(tài)電解質(zhì)會發(fā)生分解，而采用固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池則可以保持良好的工作狀態(tài)。鑒于固態(tài)鋰離子電池具有無可比擬的優(yōu)勢與前景，其受到了各國研究機構、大型電子、汽車制造公司的青睞。各國政府相繼出臺鼓勵固態(tài)電池研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的政策，將提高固態(tài)電池能量密度進而實現(xiàn)量產(chǎn)作為目標。

固態(tài)電解質(zhì)作為固態(tài)電池差別于傳統(tǒng)液態(tài)電池的核心部件，是固態(tài)電池發(fā)展的技術重點。全固態(tài)鋰離子電池的電解質(zhì)材料很大程度上決定了固態(tài)鋰離子電池的各項性能參數(shù)，如功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命等。不同種類電解質(zhì)的性能差異較大，目前被業(yè)界看好、有較大研究潛力的電解質(zhì)重要有氧化物、硫化物以及聚合物電解質(zhì)。其中，氧化物電解質(zhì)研究廣泛、在空氣中的穩(wěn)定性較好，但室溫離子電導率不如硫化物電解質(zhì)。硫化物電解質(zhì)的鋰離子導電率較高，0℃下可達10-4～10-2S/cm，可以制備高功率電池及高低溫電池，但其化學穩(wěn)定性較差。聚合物電解質(zhì)具有安全性高、重量輕、容量大等優(yōu)點，可以應用于柔性器件。但其力學性能相對較差、易形成結晶，很有可能引起電池斷路或短路[6]。本文綜述了聚合物、氧化物和硫化物固態(tài)電解質(zhì)的最新研究進展并對固態(tài)電解質(zhì)相關專利的申請情況進行簡要分析。

1、聚合物固態(tài)電解質(zhì)

聚合物基體和鋰鹽共同組成聚合物固態(tài)電解質(zhì)(SPE)，其具有機械加工性能優(yōu)、高離子電導率、質(zhì)量輕、低電極/電解質(zhì)界面阻抗等特點。常用的鋰鹽包括LiPF6、LiClO4和LiAsF4等，SPE基體包括聚環(huán)氧丙烷(PPO)、聚偏氯乙烯(PVDC)、聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。鋰鹽可以與聚合物基體中的極性基團出現(xiàn)溶劑化反應，通過不斷的“絡合、解絡合”過程，在聚合物分子鏈上傳輸。鏈段活動能力重要影響了傳輸速率，加入各種鋰鹽后的室溫電導率約為10-5S/cm。提高鏈段的活動性，即降低基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，有利于提高鋰離子電導率。

通過加入固體塑化劑、陶瓷顆粒等填料或與其他聚合物單體共聚等方式，可以提高材料的力學性能及鋰金屬的穩(wěn)定性，有效地將電導率提高至

10-4S/cm。填料多用無機鋰離子導體材料、不含鋰離子的惰性氧化物、黏土-碳納米管納米復合物、金屬有機框架等。此外，一些有較好溶解能力的新基體材料，如聚碳酸酯、聚硅氧烷和琥珀腈等，也可以大大提高電導率，但其需用作添加劑或與鋰鹽進行交聯(lián)。

與有機電解液類似，傳統(tǒng)的聚合物電解質(zhì)材料也存在雙離子(鋰鹽中的鋰離子和陰離子)傳導的問題，而且由于鋰離子更易與聚合物基體上的Lewis堿位耦合，遷移數(shù)往往低于0.5。提高鋰離子遷移數(shù)的途徑包括，將陰離子通過共價鍵固定于聚合物基體、將陰離子固定于無機填料表面及加入陰離子捕獲劑等。聚合物電解質(zhì)在制造全固態(tài)電池方面一直有大量應用，但由于聚合物的熱穩(wěn)定性有限，其對環(huán)境溫度的變化范圍要求較嚴格。另外，當使用鋰金屬作為電池負極時，鋰枝晶生長的問題難以控制，這些缺陷都限制了聚合物電解質(zhì)的市場應用。

1.1 聚環(huán)氧乙烷基

聚環(huán)氧乙烷基(PEO)及其衍生物仍然是主流的SPE基體，重要得益于PEO對金屬鋰穩(wěn)定并且可以更好地解離鋰鹽。然而室溫條件下未經(jīng)改性的PEO的結晶度高，導致離子電導率較低。實驗中可以通過添加無機粒子對聚合物進行雜化處理，從而提高PEO鏈段的運動能力、提高體系的電導率。目前研究較多的無機填料包括MgO、Al2O3、SiO2等金屬氧化物納米顆粒以及沸石、蒙脫土等。聚合物、鋰鹽以及無機粒子之間出現(xiàn)的相互用途新增了鋰離子傳輸通道，提高電導率和離子遷移數(shù)。無機填料還可以起到吸附復合電解質(zhì)中痕量的水及其他雜質(zhì)、擴寬電化學窗口、提高力學性能的用途。Cui等制備了由PEO與納米SiO2顆粒復合而成的全固態(tài)聚合物電解質(zhì)(CPE)，其在30℃時的離子電導率達4.4×10-5S/cm。

迄今為止研究的大多數(shù)金屬氧化物納米顆粒都是被動填充的，即它們僅通過供應遷移途徑或充當電荷攜帶源來提高聚合物電解質(zhì)的電導率，具有一定限制。因此有幾種Li+導體，例如Li1.4Al0.4Ge1.7(PO4)3(LAGP)、Li0.33La0.557TiO3(LLTO)和Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)等，最近被加入PEO基質(zhì)中，從而極大地提高了這些雜化聚合物電解質(zhì)中的離子電導率、電化學穩(wěn)定性和力學性能。Chen等通過新的原位方法制備了聚環(huán)氧乙烷(PEO)/Li3PS4雜化聚合物電解質(zhì)，工藝如圖1所示。最佳的PEO-2%Li3PS4(體積分數(shù))電解質(zhì)在60℃時的離子電導率為8.01×10-4S/cm，電化學窗口高達5.1V。

圖1原位制備PEO/Li3PS4雜化聚合物電解質(zhì)的工藝流程圖

1.2 聚碳酸酯基

聚碳酸酯基類聚合物因其介電常數(shù)高、離子電導率高、鏈段柔順性好等特點，自發(fā)現(xiàn)后開始被各國研究人員廣泛研究。其中研究較多的是聚碳酸乙烯酯(PEC)、聚碳酸丙烯酯(PPC)和聚三亞甲基碳酸酯(PTMC)這三類。

Yue等設計了基于聚碳酸丙烯酯(PPC)的三明治夾心型復合固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SE)，并將其應用于固態(tài)鋰離子電池。三明治夾心狀結構由三部分組成，如圖2所示：聚丙烯隔板用作支撐膜；丁二腈用于新增離子電導率；純PPC作為緩沖層與鋰陽極隔離。這種做法可以改善界面兼容性、庫侖效率和電池循環(huán)壽命。

圖2三明治型固態(tài)聚合物電解質(zhì)的制造示意圖

1.3 聚硅氧烷基

19世紀80年代，聚硅氧烷基電解質(zhì)開始進入研究者的視野，此類電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性較好、玻璃化溫度較低、室溫離子電導率可達10-4S/cm，但同時存在電化學穩(wěn)定窗口窄、力學性能差等缺點。目前研究者普遍采用將聚硅氧烷類電解質(zhì)交聯(lián)形成網(wǎng)狀結構或與其他電解質(zhì)基材復合等方法提高聚硅氧烷基固態(tài)電解質(zhì)的性能。Li等合成了用于全固態(tài)鋰離子電池的可調(diào)式聚硅氧烷薄膜電解質(zhì)。隨后，Liu等將磺基甜菜堿(ZI)和聚環(huán)氧乙烷(PEO)接枝到高度柔性的聚硅氧烷主鏈上，兩性離子和PEO的協(xié)同用途使SPE在室溫下具有3.39×10-4S/cm的出色離子電導率和5.0V的寬電化學窗口。

2、氧化物固態(tài)電解質(zhì)

氧化物固態(tài)電解質(zhì)包括晶態(tài)和玻璃態(tài)兩類。NASICON型、鈣鈦礦型、石榴石型以及LISICON型等電解質(zhì)都屬于晶態(tài)電解質(zhì)，而應用在薄膜電池中的LiPON型電解質(zhì)是玻璃態(tài)氧化物電解質(zhì)的研究熱點。與其他無機固體鋰離子導電化合物(如鹵化物和硫化物)相比，氧化物鋰離子導體通常對環(huán)境空氣和高溫更為穩(wěn)定，因此可以在制造和操作過程中輕松處理。此外，氧化物電解質(zhì)因其更易于獲得原料而出眾。因此近年來，氧化物固態(tài)電解質(zhì)飛速發(fā)展。國內(nèi)中科院上海硅酸鹽研究所已將Garnet型電解質(zhì)實現(xiàn)量產(chǎn)，而世界范圍內(nèi)的一些科研高?；蚬疽惨阎珠_發(fā)固態(tài)氧化物鋰離子電池。

2.1 鈣鈦礦型

鈣鈦礦為堿土金屬鈦酸鹽的統(tǒng)稱，通式可寫為ABO3。LLTO晶體結構如圖3所示，Ti和O構成TiO6八面體結構，Li和La位于八個共頂連接的TiO6八面體形成的間隙中，12個O分布在Li周圍。根據(jù)LLTO結構特點，可以看出A位陽離子的大小，鋰離子和空位濃度決定其離子電導率的高低。部分研究者通過改變晶體結構或?qū)⒉煌镔|(zhì)與之摻雜來提高LLTO的離子電導率。Lu等通過常規(guī)的固態(tài)反應方法合成了固體電解質(zhì)Li2x-ySr1-x-yLayTiO3。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著La3+含量的新增，Li2x-ySr1-x-yLayTiO3的結構從立方鈣鈦礦型變?yōu)樗姆解}鈦礦型，且Li15/56Sr1/16La15/28TiO3電解質(zhì)表現(xiàn)出最佳的鋰離子電導率(4.84×10-4S/cm)。Hu等通過固相反應合成了含有不同GeO2含量的Ge-LLTO固態(tài)電解質(zhì)，添加GeO2后，鈣鈦礦固態(tài)電解質(zhì)的燒結性和離子電導率顯著提高。

圖3LLTO晶體結構圖

2.2 NASICON型

Goodenough等報道了組成為Na1+xZr2P3-xSixO12的NASICON，這種材料的化學通式為AM2(PO4)3(Li、Na或K占據(jù)位置A，Ge、Zr或Ti通常占據(jù)位置M)。NASICON型固體電解質(zhì)根據(jù)M位置上不同元素的組成，重要分為三類：LiZr2(PO4)3(LZP)、LiTi2(PO4)3(LTP)和LiGe2(PO4)3(LGP)。1986年，Petit等合成了離子電導率為10-9S/cm的LZP。圖4顯示了LZP的四個多態(tài)結構，其中具有R-3C空間基團的α相離子電導率最高，約為10-5S/cm。因此，LZP獲得高離子電導率的關鍵在于在室溫下穩(wěn)定的菱形結構。Lai等通過微波燒結工藝制備了菱面體結構的LiZr2(PO4)3(α-LZP)，其在室溫下具有較高的鋰離子電導率(2.8×10-6S/cm)。

圖4LiZr2(PO4)3的四個多態(tài)結構

用Ti4+取代Zr4+可以提高NASICON型電解質(zhì)的離子電導率，因為該隧道更適合鋰離子遷移。用Al3+、Ga3+、Fe3+、Lu3+等離子部分代替Ti4+可以使LTP的離子電導率顯著提高，且Al3+離子代替最為有效。Tan等通過磁控濺射制備了摻氮的鋰-鋁-鈦磷酸鹽基薄膜(Li-Al-Ti-P-O-N)，其在室溫下獲得了1.22×10-6S/cm的高離子電導率。

2.3 Garnet型

A3B2(SiO4)3(A=Ca、Mg、Fe、Mn；B=Al、Fe、Cr、Ti、Zr)為石榴石型固態(tài)電解質(zhì)的分子通式，其中A和B位都是陽離子，分別為八配體、六配位體。在眾多的Garnet型固態(tài)電解質(zhì)中，Li7La3Zr2O12(LLZO)型富鋰電解質(zhì)的室溫電導率較高，已被各國研究者廣泛研究。LLZO的晶體結構分為立方相和四方相兩種(圖5)，其中立方相結構能供應更多使Li+遷移的空位。目前，可以通過元素摻雜來提高LLZO的離子電導率，進而尋找性能更加優(yōu)異的LLZO基固態(tài)電解質(zhì)。Gai等將Li7La3Zr2O12(LLZO)電解質(zhì)中的Zr部分替換為Nb和Y，達到穩(wěn)定立方相結構進而改善鋰離子電導率和空氣穩(wěn)定性的目的。

圖5LLZO的(a)四方相晶體結構；(b)立方相晶體結構

2.4 LiPON型

薄膜技術可以使固態(tài)電解質(zhì)、電極材料等薄膜化，進而制造全固態(tài)薄膜電池。1992年，來自美國橡樹嶺國家實驗室的Bates等研發(fā)了LiPON電解質(zhì)薄膜，其穩(wěn)定性、機械性能、化學性能等均較為優(yōu)異。LiPON是一種非晶態(tài)電解質(zhì)，通過射頻磁控濺射方式以Li3PO4為靶材，在氮氣中反應濺射進行制備。其中，制備工藝是影響性能的關鍵因素，研究者一直致力于尋找其新的制備方法。Gideon等研發(fā)兩步一鍋合成方法，首先用含氧官能團修飾聚二氯磷腈，進而用鋰離子取代質(zhì)子，得到聚合物電解質(zhì)LiPON。其產(chǎn)物擴展性好、產(chǎn)量更高、在不同溶劑中具有不同溶解度，相比濺射工藝具有更明顯的優(yōu)勢。

由于LiPON薄膜非常薄、電阻低、具有出色的充放電性能，因此其綜合性能較為突出。在這種薄膜電池中，陰極、陽極、電解質(zhì)和集電器從氣相沉積，并且電池頂部的保護涂層可以防止鋰陽極與空氣反應。LiPON型固體電解質(zhì)在0～5.5V電壓下相有關Li/Li+時是相對穩(wěn)定的，從而使得薄膜固態(tài)電池可以使用多種類型的電極材料。但由于LiPON型固體電解質(zhì)室溫離子電導率較低，約為10-6～10-5S/cm，因此不適用于大體積固態(tài)電池。

3、硫化物固態(tài)電解質(zhì)

與O2-相比，S2-的半徑大且極化用途強，用硫替換氧化物晶態(tài)電解質(zhì)中的氧，一方面可以起到新增晶胞體積、擴大Li+傳輸通道尺寸的用途；另一方面，弱化了骨架對Li+的吸引和束縛，增大可移動載流子Li+的濃度。因此，與氧化物電解質(zhì)相比，硫化物固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出更高的離子電導率。硫化物電解質(zhì)重要包括玻璃及玻璃陶瓷態(tài)電解質(zhì)和晶態(tài)電解質(zhì)等。

硫化物電解質(zhì)仍具備一些缺陷，例如制備條件復雜、充放電穩(wěn)定性低、環(huán)境穩(wěn)定性差、與電極的界面接觸不好等，雖然離子導電性高，但難以實際應用。為解決這些問題，通過引入適當?shù)奶砑觿?，開發(fā)高離子電導率、對空氣高穩(wěn)定性的新型固態(tài)硫化物電解質(zhì)體系成為可能。同時，電極與固態(tài)硫化物電解之間的界面相互用途也要優(yōu)化。通過擴大接觸面積、尋找更多匹配的電極材料、修飾電極表面等方法來降低電阻。在今后硫化物固體電解質(zhì)的發(fā)展中，還需繼續(xù)進行此類研究和開發(fā)。

3.1 玻璃及玻璃陶瓷態(tài)電解質(zhì)

硫化物玻璃態(tài)固態(tài)電解質(zhì)研究最多的是Li2S-P2S5體系，此類材料完全結晶時離子電導率并不高。近幾年發(fā)現(xiàn)，玻璃態(tài)電解質(zhì)通過熱處理或球磨法可以形成部分結晶的半玻璃-半陶瓷結構，其電導率明顯提高，另外可通過摻雜和改性等措施提高化學穩(wěn)定性和電導率。Wu等通過高能球磨法制備了摻入SeS2的Li2S-P2S5(LPS)基玻璃—陶瓷電解質(zhì)，在20℃時，70Li2S·29P2S5·1SeS2的離子電導率最高，達到5.28×10-3S/cm。除此之外，還有P2O5、Li2O、LiI、Li2ZrO3、MoS2等物質(zhì)摻雜硫化物玻璃態(tài)固態(tài)電解質(zhì)的研究發(fā)表。

3.2 晶態(tài)電解質(zhì)

2011年，Kanno等發(fā)現(xiàn)了Li10GeP2S12，它在室溫下具有1.2×10-2S/cm的電導率，這種新型超離子導體由(Ge0.5P0.5)S4/PS4四面體、LiS4四面體和LiS6八面體組成，如圖6所示。高離子電導率可歸因于四方Li10GeP2S12中的準各向同性Li擴散，隨著溫度的升高，1D路徑演變?yōu)?D擴散網(wǎng)絡。2019年，Zhang等優(yōu)化了合成Li10GeP2S12的機械球磨工藝和熱處理工藝，該合成方法成本低、工藝簡單、效率高，合成的LGPS具有規(guī)則的形態(tài)和均勻的顆粒分布。部分學者還通過雙摻雜、氧取代、二價取代等方法增強Li10GeP2S12的電化學性能。Sun等采用Ba取代的方法制備了Li9.4Ba0.3GeP2S12固態(tài)電解質(zhì)，其在室溫下的電導率為7.04×10-4S/cm，活化能為28.27kJ/mol。

圖6Li10GeP2S12中(a)骨架結構和參與離子傳導的鋰離子；(b)框架結構；(c)鋰離子的傳導途徑

盡管Li10GeP2S12在室溫下具有很高的鋰離子傳導性，但是昂貴的原材料(Ge)和金屬鋰的不穩(wěn)定性，仍然限制了其在ASSLB中的大規(guī)模應用。為了進一步降低成本并提高電化學穩(wěn)定性，可以采用具有成本效益的Si來代替昂貴的Ge。Li10SiP2S12室溫下電導率較高、穩(wěn)定性較好、且與高壓陰極材料兼容，因此被認為是開發(fā)新一代固體電解質(zhì)的候選者。除Si之外，還可以用等價陽離子Sn4+替代稀有和昂貴的Ge4+。Zhang等通過高能球磨和熱處理工藝的結合制備了Li10SnP2S12固態(tài)電解質(zhì)，其在室溫下具有較高的離子電導率(3.2×10-3S/cm)。

4、全球固態(tài)電解質(zhì)專利分析

在DerwentInnovationsIndex專利數(shù)據(jù)庫(DII)搜索全固態(tài)鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)專利申請，并采用Excel進行相關數(shù)據(jù)分析。檢索日期為2020年四月五日，檢索詞為TS=(allsolidstatelithiumbattery)ANDTS=(solidelectrolyte)ANDIP=H01M*，搜索出1500件相關專利。需注意，專利公開日相比于申請日存在18個月的滯后，因此2019年和2018年的專利公開數(shù)小于實際申請數(shù)。

圖7為固態(tài)電解質(zhì)相關專利申請數(shù)量隨年份變化的折線圖，由圖可以看出三個發(fā)展階段：1990—2007年，每一年的申請專利數(shù)量都小于10件、變化較緩慢，這表明該時期領域發(fā)展停滯；2008—2014年，專利申請數(shù)量出現(xiàn)上升，表明該時期領域逐漸發(fā)展；2015年以后，專利申請數(shù)量開始大幅度上升，這表明全固態(tài)鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)研究逐漸成為研發(fā)重點，得到各國研究人員的重視。

圖7固態(tài)電解質(zhì)專利申請數(shù)量趨勢圖

表1列出了固態(tài)電解質(zhì)領域?qū)＠暾垟?shù)量排在前十位的申請人，可以看到申請人全部為公司，其中9位申請人歸屬于日本，1位歸屬于韓國。日本豐田公司堅持的是硫化物固態(tài)電池技術路線，期于大幅度提升電池的離子電導率、安全性等性能指標，進而實現(xiàn)固態(tài)電池的商業(yè)化應用。豐田計劃在2020年東京奧運會上亮相一款固態(tài)電池電動汽車，并預計2025年左右實現(xiàn)此類電動汽車的大規(guī)模生產(chǎn)。日本富士膠片主營相機、膠片等業(yè)務，近年來也致力于氧化物和硫化物固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)。日本村田則重點研究全固態(tài)電池構造以及制造方法，兼顧開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)。韓國研究固態(tài)電解質(zhì)的重要有三星、LG和現(xiàn)代汽車三家公司，專利分布相對集中。韓國三星集團以硫化物固態(tài)電解質(zhì)為研究方向，與LG和SK創(chuàng)新成立合作機構，共同研發(fā)固態(tài)電池。

表1專利重要申請人

對專利申請優(yōu)先權國家/地區(qū)進行分析，并繪制圖8柱狀圖(a)、餅圖(b)。由于申請人通常傾向于優(yōu)先在本國提交申請，因此，優(yōu)先權國家/地區(qū)一定程度上代表技術來源國。通過對不同國家/地區(qū)的專利數(shù)量分析，可以了解不同國家/地區(qū)對固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)技術和創(chuàng)新能力。由圖8可以看出，日本相關專利申請量居首位，共880件，占總專利數(shù)量的58.67%。這表明日本的固態(tài)電解質(zhì)開發(fā)技術較先進，在全球處于領先地位。其后依次為我國(292件)、美國(156件)、韓國(106件)等國家?？梢钥吹剑毡?、我國、美國和韓國申請的專利數(shù)量占全球?qū)＠暾埩康?5.6%，基本包含目前固態(tài)電解質(zhì)開發(fā)的優(yōu)勢技術。

圖8固態(tài)電解質(zhì)(a)專利申請國家分布；(b)專利申請分布國家所占百分比

國際專利分類(IPC)是一種國際公認的專利分析系統(tǒng)，對專利的IPC號進行分類統(tǒng)計并繪制了表2，展示了專利的技術領域分布情況。由于檢索的是固態(tài)電解質(zhì)的相關專利，H01M-010/0562領域理所當然居于前列，相關專利共1067件。一些學者通過對固態(tài)鋰離子電池專利進行分析，發(fā)現(xiàn)H01M-010/0562領域依舊是最集中的技術方向。除此之外，固態(tài)電解質(zhì)相關專利還與以下領域具有密切關聯(lián)：鋰二次蓄電池(763)、活性物質(zhì)中非活性材料成分的選擇(579)、搖椅式電池(517)、只具有板條結構元件，即板條式正極、負極、隔離件的蓄電池(418)、非水電解質(zhì)蓄電池的電極(348)等。同時，表中的技術領域也是固態(tài)鋰離子電池的重點技術發(fā)展領域。

表2固態(tài)電解質(zhì)專利申請的技術領域分布

通過對DII專利數(shù)據(jù)庫中收錄的固態(tài)電解質(zhì)專利進行分析，有如下結論：①2015年以后，固態(tài)電解質(zhì)的專利申請進入高速上升階段，這表明全固態(tài)鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)研究得到各國研究人員的重視；②日韓公司的專利申請數(shù)量排在前列，如豐田、富士、三星等，這些公司掌握著固態(tài)鋰離子電池的先進技術；③世界形成了以日中韓為主導的亞洲板塊、美國為主導的北美板塊、以英德為主導的歐洲板塊，圍繞這些中心國家，固態(tài)電解質(zhì)的研究正如火如荼的進行著。這啟示我們：公司、研究所、高校之間可以積極進行技術交流或產(chǎn)業(yè)合作，加速技術成果轉(zhuǎn)化進程；學習海外優(yōu)秀公司的研發(fā)技術或研究成果，進行相關合作研究；加大固態(tài)鋰離子電池相關研究的經(jīng)費投入，積極引導這一綠色、先進領域發(fā)展。相信在不久的未來，固態(tài)鋰離子電池必會造福人類。

5、結論與展望

鑒于安全與能量密度上的優(yōu)勢，固態(tài)電池已成為未來鋰離子電池發(fā)展的必經(jīng)之路。其中，固態(tài)電解質(zhì)作為固態(tài)電池差別于傳統(tǒng)液態(tài)電池的核心部件，是固態(tài)電池發(fā)展的技術重點。在各種固態(tài)電解質(zhì)中，硫化物電解質(zhì)的室溫離子電導率可以達到10-3～10-2S/cm，接近甚至超過有機電解液，其可以應用于更加穩(wěn)定的鋰硫電池中，相信會成為未來重要發(fā)展方向。某些情況下，單一組分的固態(tài)電解質(zhì)可能難以滿足鋰離子電池的實際應用需求。因此，復合型固態(tài)電解質(zhì)應運而生，將無機電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)有機結合，實現(xiàn)各組分功能雜化，進而大幅度提高固態(tài)電池性能。

經(jīng)過對固態(tài)電解質(zhì)研究進展與專利發(fā)表情況的分析，不難發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電解質(zhì)已得到了各國研究者的密切關注。針對我國的情況，應倡導高校與公司積極合作，學習國外先進技術并加以創(chuàng)新，引領我國固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。但目前固態(tài)電解質(zhì)的量產(chǎn)仍然面對許多技術難關。首先，有機液態(tài)電解質(zhì)的離子電導率普遍高于固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電解質(zhì)相對較高的離子電導率在10-4～10-3S/cm，而有機液態(tài)電解質(zhì)的室溫離子電導率要高1～2個數(shù)量級。其次，固態(tài)電解質(zhì)有關電極活性物質(zhì)的浸潤性較差，與電極形成穩(wěn)定相容的界面層往往要更長的時間，這就造成固態(tài)鋰離子電池在循環(huán)性能、倍率性能等方面表現(xiàn)并不理想。希望將來固態(tài)電解質(zhì)研究能盡快突破相關技術瓶頸，進而實現(xiàn)全固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化，為人類清潔安全的使用能源貢獻力量。

引用本文：李茜,郁亞娟,張之琦等.全固態(tài)鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)進展與專利分析[J].儲能科學與技術,2021,10(01):77-86.(LIXi,YUYajuan,ZHANGZhiqi,etal.Advanceandpatentanalysisofsolidelectrolyteinsolid-statelithiumbatteries[J].EnergyStorageScienceandTechnology,2021,10(01):77-86.)