在今年的11月份，美國專利商標(biāo)局公布了蘋果公司一項與固態(tài)電池充電技術(shù)相關(guān)的新專利，這次是便攜設(shè)備的固態(tài)電池充電技術(shù)。

（圖片來自patentdocs )

實際上，自2012年來，蘋果公司就已經(jīng)積極開始布局全固態(tài)電池技術(shù)的專利，期待能把這種高能量密度、高安全性、有柔性潛力的新型電池用在iPad、MacBook等設(shè)備以及以后將要發(fā)展的柔性電子設(shè)備上。

那么到底全固態(tài)電池到底是一種什么樣的技術(shù)，會引起蘋果公司的重點關(guān)注呢？

什么是全固態(tài)電池？

如果通俗地講，全固態(tài)電池就是里面沒有氣體、沒有液體，所有材料都以固態(tài)形式存在的電池。而考慮到現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槌Ｒ姷碾姵貫殇囯x子電池，我們在這里將默認把“全固態(tài)鋰離子電池”當(dāng)做全固態(tài)電池的代表（暫時忽略全固態(tài)鋰硫等新型電池）。

本文也會著重介紹全固態(tài)鋰離子電池（以下將全部簡稱為“全固態(tài)電池”）的各方面，以饗讀者。

一般來說，鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、結(jié)構(gòu)殼體等部分組成，其中電解液使得電流可以在電池內(nèi)部以離子形式傳導(dǎo)。電解液技術(shù)是鋰電池的核心技術(shù)之一，也是現(xiàn)在電池工業(yè)中利潤很高的一個組成部分。

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖，其中Li+（鋰離子）在內(nèi)電路中，通過電解質(zhì)（electrolyte）傳導(dǎo)

 但是很多讀者可能發(fā)現(xiàn)過自己的鋰電池用久后有的會鼓脹，而在更極端的小概率事件下，有的甚至?xí)l(fā)生危險（比如近來的扭扭車的電池爆炸事件，導(dǎo)致了相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)和電池企業(yè)遇到了全面的困難）。另外一般來說，現(xiàn)在的鋰離子電池的工作溫度范圍有限，在40 度以上的高溫下壽命會急劇縮短，安全性能會也出現(xiàn)很大的問題（所以特斯拉MODEL S會有一套嚴格的電池溫控系統(tǒng)，就是為此）。

實際上，以上所說的幾個安全方面的問題都是與我們現(xiàn)在電池用的有機體系的電解液直接相關(guān)的。

而為了解決電池安全問題，提高能量密度，目前科研界和工業(yè)界都在研發(fā)以及生產(chǎn)全固態(tài)電池，也就是把傳統(tǒng)的鋰離子電池的隔膜和電解液，換成固態(tài)的電解質(zhì)材料。那么說來說去，相比于我們生活中最常見的普通鋰離子電池，全固態(tài)電池的優(yōu)點主要有哪些呢？

固態(tài)電池有哪些優(yōu)勢？

優(yōu)勢之一：輕——能量密度高

使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會發(fā)生改變，其中核心的一點就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以明顯減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高。

此外，許多新型高性能電極材料，可能之前與現(xiàn)有的電解液體系的兼容性并不好，但是在使用全固態(tài)電解質(zhì)后該問題可以得到一定的緩解。

綜合考慮到以上兩大因素，全固態(tài)電池相比于一般鋰離子電池，能量密度可以有一個較大幅度的提升：現(xiàn)在許多實驗室中，都已經(jīng)可以小規(guī)模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池了（一般鋰離子電池是100-220Wh/kg）。

從能量密度的數(shù)據(jù)上看，或許全固態(tài)電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級到“兩天一充”。

另外，電池技術(shù)的前進受到電化學(xué)規(guī)律的制約，其容量上升是有理論極限的，一般很難以一個較大的幅度產(chǎn)生飛越式的、顛覆式的發(fā)展。因此建議廣大讀者擦亮眼睛，一但發(fā)現(xiàn)有性能“翻一/幾番”，“幾分鐘充滿電”，“成本下降70%”一類新聞時，要加倍警覺，因為此類新聞宣傳誤導(dǎo)的嫌疑很大，而背后存在的問題往往總是避而不談。

優(yōu)勢之二：薄——體積小

實際上，體積能量密度對于電池來說是一個很重要的參數(shù)，如果就應(yīng)用領(lǐng)域來說，要求從高到低是消費電子產(chǎn)品>家用電動汽車>電動公交車。

如果通俗地講，就是體積能量密度高了，因此相同質(zhì)量的電池才能做的體積更小。

電子產(chǎn)品中的可用空間往往很有限，很多產(chǎn)品（例手機、平板電腦）有近1/3左右的體積和質(zhì)量已經(jīng)被電池占據(jù)，而且在廣大生產(chǎn)廠商和消費者希望對電池進一步提高容量（增加續(xù)航）和壓縮體積（便攜美觀和便于設(shè)計）的要求下，高壓實、體積能量密度最高的鈷酸鋰（LCO）電池依然是當(dāng)仁不讓的主流產(chǎn)品。

傳統(tǒng)鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來占據(jù)了電池中近40%的體積和25%的質(zhì)量。而如果把它們用固態(tài)電解質(zhì)取代（主要有有機和無機陶瓷材料兩個體系），正負極之間的距離（傳統(tǒng)上由隔膜電解液填充，現(xiàn)在由固態(tài)電解質(zhì)填充）可以縮短到甚至只有幾到十幾個微米，這樣電池的厚度就能大大地降低——因此全固態(tài)電池技術(shù)是電池小型化，薄膜化的必經(jīng)之路。

不僅如此，很多經(jīng)過物理/化學(xué)氣相沉積（PVD/CVD）制備的全固態(tài)電池，其整體厚度可能只有幾十個微米，因此就可以制成非常小的電源器件，整合到MEMS（微機電系統(tǒng)）領(lǐng)域中。能夠制成體積非常小的電池也是全固態(tài)電池技術(shù)的一大特色，這可以方便電池適應(yīng)各種新型小尺寸智能電子設(shè)備的應(yīng)用，而在這一點上傳統(tǒng)的鋰離子電池的技術(shù)是很難達到的。