隨著能源危機和環(huán)境污染問題的日益突顯，人們對清潔、可再生能源的需求越來越迫切。實際應用中，太陽能、風能、水力等可再生能源需要被轉(zhuǎn)化為電能等二次能源才能廣泛被人們加以利用。為解決這類自然可再生能源與電力需求在時空分布上的不匹配問題，儲能技術(shù)的發(fā)展必不可少。在眾多儲能技術(shù)中，電化學儲能技術(shù)，即電池的使用受到人們越來越多的關(guān)注。電池儲能具有高效、規(guī)?？烧{(diào)的特點，既可整合于電力系統(tǒng)作為能量儲存單元，起到對電網(wǎng)削峰填谷的作用，提高電網(wǎng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，也可用于移動通訊、新能源汽車等領(lǐng)域，為人類生活質(zhì)量的提高提供源源不斷的能量支持。

圖 1 主要電化學儲能電池比能量及用于電動車續(xù)航里程比較

二次電池的發(fā)展經(jīng)歷了從早期的鉛酸電池，到后來的鎳鎘、鎳氫電池，再到現(xiàn)在已商用化的二次鋰離子電池和用于電網(wǎng)儲能的鈉-硫電池等。鋰電池以鋰元素作為能量輸運和存儲介質(zhì)，鋰元素質(zhì)輕（金屬鋰摩爾質(zhì)量為 6.94 g/mol，是自然界存在的固態(tài)元素中最輕的）和氧化還原電位低（Li+/Li相對于標準氫電極的標準氧化還原電位為 -3.04 V，在所有標準氧化還原電對中最低）的特點，使鋰離子電池可獲得比其他類型電池更高的輸出電壓和能量密度（圖 1）。因此，自 1991年索尼公司推出第一款商用二次鋰離子電池以來，鋰電池在全球范圍內(nèi)迅速普及，成為許多便攜式電子產(chǎn)品首選的電源類型。近年來，伴隨著電動汽車的興起，以及可再生能源發(fā)電對大規(guī)模儲能裝置的迫切需求，鋰電池的研究再度升溫，開發(fā)安全、大容量、大功率和長壽命的二次鋰電池成為焦點。

圖 2 二次鋰離子電池和鋰-空氣電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理示意

目前商業(yè)化的鋰電池以石墨作為負極，正極采用可嵌入/脫出鋰離子的氧化物材料結(jié)構(gòu)，如 LiCoO2 等，電解質(zhì)為溶有鋰鹽的有機溶液，鋰元素在整個電池中以離子形式存在，故被稱為鋰離子電池（圖 2（a））。鋰離子電池顯著削弱了以鋰為工作介質(zhì)的優(yōu)勢，可以認為是一種過渡產(chǎn)品。為進一步擴大鋰電池的能量密度，目前的研究：

一方面著力于探索抑制鋰枝晶生長的方法，使鋰金屬作為負極成為可能；

另一方面則集中于獲得更高容量或電極電勢的正極材料。例如，以單質(zhì)硫或者氧氣作為正極，利用二者超高的單位質(zhì)量儲鋰能力（每克硫 1672 mA·h；每克氧氣 3862 mA·h），可以顯著提升電池的容量。這樣形成的鋰電池又分別稱為鋰-硫電池和鋰-氧氣（空氣）電池（圖2（b））。

車用動力鋰電池，除需滿足長續(xù)航里程和大功率充放電的要求外，安全性尤為重要。目前商用的鋰離子電池，在短路情況發(fā)生時釋放大量熱量，會引燃有機電解液，產(chǎn)生爆炸隱患，顯然難以廣泛使用。即使是目前被認為最安全的特斯拉汽車，使用了復雜的電池管理系統(tǒng)和防護措施，仍在問世短短的幾年內(nèi)發(fā)生多次著火爆炸事故。此外，有機電解液還存在的問題包括：

電化學窗口有限，難以兼容金屬鋰負極和新研發(fā)的高電勢正極材料；

鋰離子并非唯一的載流子，在大電流通過時，電池內(nèi)阻會因離子濃度梯度的出現(xiàn)而增加（濃差極化），電池性能下降；

工作溫度有限（安全工作溫度 0～40 ℃）；

與負極材料發(fā)生反應，生成 Solid Electrolyte Interphase（SEI）層，造成 2 種材料的持續(xù)消耗，使電池容量不斷下降。

用固態(tài)電解質(zhì)代替有機電解液，有望從根本上解決上述問題，這樣形成的鋰電池稱為固態(tài)鋰電池。本文首先闡述固態(tài)鋰電池的優(yōu)點，然后對固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵材料——固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展情況進行綜述，并在此基礎上介紹全電池結(jié)構(gòu)設計、發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，以及目前仍存在的問題。