卓世平、劉偉仁 / 中原大學化工系
全固態鋰電池(ASSLiBs)具有不易燃、不易爆和耐高溫等安全上的優勢，透過提高固態電解質的鋰離子傳導速率，以及優化全固態鋰電池的組裝方法，可降低電極與固態電解質間的界面阻抗，從而提升電池能量密度(>500 Wh/kg)以滿足商業應用。本文從業界固態電池的使用方向及應用介紹，進而說明全固態鋰電池的基本原理，並簡介鋰固態電解質目前在學術界的分類，摘要說明硫化物固態電解質，特別聚焦在具有高鋰離子傳導的硫銀鍺礦(Li6PS5Cl)的合成方式，最後針對硫化物固態電解質應用在全固態鋰電池組裝方法進行系列文獻回顧。
【內文精選】
前 言
固態電池顧名思義就是使用固態的電解質，由於整顆電池不含液態電解液，故固態電池沒有漏液、揮發、著火之危險性，因而大大提升電池的安全性；此外，可「超快速充電」，於數分鐘內可充達80~90%電量，將是未來電池發展的重要指標。日本市調機構富士經濟於日前發表了一項全球次世代電池市場報告，並預測2035年全固態鋰電池的市場規模將可望達到2兆7,877億日圓。在此項市調中，調查對象除了全固態電池之外，還包括了金屬空氣電池、鈉離子電池、鉀離子電池、鎂電池等。雖然目前僅全固態電池已形成一定的市場規模，而其他次世代電池也將因其低成本、低環境負荷等優勢，可望在2035年之後達到規模化發展。
全固態鋰電池介紹
全固態鋰電池(All Solid State Li IonBatteries; ASSLiBs)的工作原理與傳統使用液態電解質的二次鋰離子電池相似，僅以固體電解質代替液體電解質與隔離膜。ASSLiBs包含正極、負極和固態電解質。電池的主要性能取決於固態電解質層。圖六顯示傳統鋰離子電池和全固態鋰電池的示意圖。有別於液態電解液可能會發生許多的化學副反應(因電解液在第一次充電分解產生的SEI)，ASSLiBs因為是全固態，僅鋰離子在不同的固態介質與固–固界面穿梭，理論上會具有較佳的電池循環壽命。然而，在全固態鋰電池中，電極與固體電解質之間的固–固接觸相比固–液接觸具有更高的界面接觸電阻，因此，界面相容性和穩定性也顯著影響全固態鋰電池的循環性能和倍率性能。固體電解質獨特不易燃且不揮發的特性，可讓電池在化學以及熱穩定性展現優異的特性。
圖六、(a)傳統鋰離子電池；(b)全固態鋰電池的結構示意圖
全固態鋰離子電池是採用鋰離子固態電解質(又稱快離子導體或超離子導體)材料替換傳統鋰離子電池所使用的液體電解質所組裝而成，且固態電解質同時也具有隔離膜的功能。為了增加電極與固態電解質的接觸面積，往往在電極中添加固態電解質顆粒，形成複合電極(Composite Electrode)。全固態鋰電池的基本工作原理和電極材料均與液態鋰離子電池相同。
2. 全固態鋰電池的缺點
圖九整理出ASSLiBs目前的研究瓶頸，包含體積膨脹收縮造成的殘留應力會影響到循環壽命跟安全性；離子跟電子的遷移困難影響到比電容量和功率密度；固態電解質的孔隙度、成膜均勻性、晶粒、晶界大小等會影響到比電容量、倍率性能與循環壽命；固態電解質與電極之間的界面會影響電容量、循環壽命與自放電率，這些都是目前亟待克服的問題---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖九、ASSLiBs目前遭遇到的問題
★本文節錄自《工業材料雜誌》429期，更多資料請見下方附檔。
