固態(tài)電池中的物理問題專題編者按

新能源汽車是當(dāng)前我國優(yōu)先發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)， 是國家科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向， 擔(dān)負(fù)著保障國家能源安全、降低環(huán)境污染和汽車行業(yè)快速發(fā)展等多重責(zé)任. 我國制定的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃(2011—2020)》中指出， 純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車是未來發(fā)展的重要方向， 動(dòng)力電池為其中的關(guān)鍵技術(shù). 工業(yè)和信息化部會(huì)同發(fā)展改革委、科技部、財(cái)政部等有關(guān)部門于2017 年2 月20 日聯(lián)合印發(fā)了《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》明確提出， 到2020 年， 新型鋰離子動(dòng)力電池單體比能量超過300 瓦時(shí)/公斤， 系統(tǒng)比能量力爭達(dá)到260 瓦時(shí)/公斤、成本降至1 元/瓦時(shí)以下； 到2025 年， 新體系動(dòng)力電池技術(shù)取得突破性進(jìn)展， 單體比能量達(dá)500 瓦時(shí)/公斤.

然而， 目前商用鋰離子電池能量密度已達(dá)瓶頸， 且液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)存在易泄露、易腐蝕、易燃燒等安全隱患. 全固態(tài)鋰電池相對于液態(tài)鋰離子電池來說具有顯著的優(yōu)點(diǎn)： 1) 相對于液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)來說， 固態(tài)電解質(zhì)不燃、不泄露、不揮發(fā)， 一方面從根本上保證電池的安全性， 另一方面可以避免由于長期循環(huán)液態(tài)電解質(zhì)干涸導(dǎo)致的電池壽命短的問題； 2) 液態(tài)電解質(zhì)在高溫(45 ℃以上)下會(huì)發(fā)生分解， 而固態(tài)電解質(zhì)可以在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定， 因此全固態(tài)電池即使在高溫下也可以保持良好的工作狀態(tài)； 3) 采用固態(tài)電解質(zhì)可以有效地阻擋鋰枝晶的生長， 一方面保證電池的安全性，另一方面使用金屬鋰作負(fù)極成為可能， 大幅提升電池的能量密度； 4) 全固態(tài)電池體系中， 省去了液體電解質(zhì)和隔膜， 簡化電池的制造步驟， 減少了非活性成分， 還可以將固態(tài)電解質(zhì)制備成超薄薄膜，從而提升電池的能量密度. 全固態(tài)電池由于沒有流動(dòng)的電解液， 可以先串聯(lián)后包裝， 減少非活性材料(電池包裝)的含量， 提升電池包的總體能量密度. 因此， 固態(tài)電池已成為下一代鋰離子電池的重要發(fā)展方向之一. 全世界主要發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都投入了大量財(cái)力物力支持固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)， 布局固態(tài)電池研發(fā)的企業(yè)已達(dá)50 余家， 并呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢. 預(yù)計(jì)在未來10 年內(nèi)， 全固態(tài)電池技術(shù)將會(huì)發(fā)展為全世界科學(xué)家和動(dòng)力電池企業(yè)關(guān)注、競爭的焦點(diǎn)技術(shù).

鑒于固態(tài)電池領(lǐng)域關(guān)鍵物理科學(xué)問題研究的挑戰(zhàn)性與緊迫性， 《物理學(xué)報(bào)》特組織本專題， 邀請國內(nèi)部分活躍在該領(lǐng)域前沿的中青年專家撰稿， 全面、深入地探討該領(lǐng)域最新研究成果以及基礎(chǔ)的物理科學(xué)問題. 本專題主要涉及以下三方面內(nèi)容： 一、不同類型固態(tài)電解質(zhì)材料體系的特征性物理問題，包括：石榴石型固態(tài)鋰電池中的物理問題（青島大學(xué)郭向欣等）； 石榴石型固態(tài)電解質(zhì)表界面問題及優(yōu)化的研究進(jìn)展（中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所劉嘯嵩等）； 富鈉反鈣鈦礦型固態(tài)電解質(zhì)的簡易合成與電化學(xué)性能研究（華中科技大學(xué)謝佳等)；三維多孔陶瓷骨架增強(qiáng)的復(fù)合電解質(zhì)（中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所崔光磊等）； PEO 基聚合物固態(tài)電池的界面研究進(jìn)展（東北師范大學(xué)叢麗娜、謝海明等)； 硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料界面及其表征的研究進(jìn)展(廈門大學(xué)楊勇等）； 電解質(zhì)中離子輸運(yùn)的微觀物理圖像（上海大學(xué)施思齊等）； 二、電解質(zhì)與電極材料界面的特征性物理問題，包括：全固態(tài)電池中界面的結(jié)構(gòu)演化和物質(zhì)輸運(yùn)（中國科學(xué)院物理研究所谷林等)；全固態(tài)金屬鋰電池負(fù)極界面問題及解決策略(清華大學(xué)深圳國際研究生院李寶華等）； 固態(tài)電解質(zhì)與電極界面的穩(wěn)定性（復(fù)旦大學(xué)王飛、Rensselaer Polytechnic Institute 韓福東、University of Maryland 王春生等)； 電解液及其界面電化學(xué)性質(zhì)的機(jī)理研究進(jìn)展（華南師范大學(xué)邢麗丹等）；三、全固態(tài)電池體系及特殊電極材料中的基礎(chǔ)物理問題，包括：固態(tài)鋰電池中的機(jī)械力學(xué)失效及解決策略（北京科技大學(xué)范麗珍等）； 實(shí)用化條件下金屬鋰負(fù)極失效的研究（河北科技大學(xué)陳愛兵、清華大學(xué)張強(qiáng)等)；金屬鋰在固態(tài)電池中的沉積機(jī)理 (中國科學(xué)院物理研究所李泓等）； 基于相場模型的電化學(xué)儲(chǔ)能材料微結(jié)構(gòu)演化研究進(jìn)展（上海大學(xué)施思齊等）； 電池材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展與應(yīng)用（中科院物理所肖睿娟、陳立泉等）. 以上三方面內(nèi)容基本涵蓋了無機(jī)/有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料、界面、全固態(tài)電池、力學(xué)性能研究、模擬、實(shí)驗(yàn)和理論等各個(gè)方面， 以不同的視角探討研究了最新進(jìn)展、問題、現(xiàn)狀和展望. 希望本專題的文章能夠?yàn)楣虘B(tài)電池領(lǐng)域研究的學(xué)術(shù)交流做一些貢獻(xiàn)， 進(jìn)一步促進(jìn)此研究領(lǐng)域的發(fā)展.