改變我們生活的鋰離子電池 | 第四講：什么是全固態電池？實用化的可能性有多大？

本系列文章，我們在從事提高電池性能研究30多年的東京工業大學特命教授菅野了次先生的監修下，從什么是鋰離子電池、到被稱為下一代鋰離子電池的全固態電池的研究狀況，做一個全面介紹專題。

第四講聚焦于被稱為“下一代電池”的“全固態電池”，它具有鋰離子電池相似的特點，我們將談談它與現在的鋰離子電池的區別、所設想的用途和走向實用化的課題等。。

1. 什么是全固態電池？

如其名所示，全固態電池是構成電池的所有部件均是“固態”的電池。鋰離子電池等二次電池（可以充電、反復使用的電池）基本上由以金屬為材料的兩個電極（正極和負極）以及充滿其間的電解質構成。傳統二次電池的電解質使用液體，而全固態電池的電解質使用固體。

電解質成為固體后，可望推出容量比鋰離子電池大、高功率的電池。另外，通過使電解質成為固體后，還具有比鋰離子電池安全的優點，裝載于電動汽車等的可能性也引人注目。

全固態電池如果能夠實用化，將具備各種優點?，F在，各家公司正在為大量供應進行產品開發和量產化而互相激烈競爭。

2. 全固態電池的工作原理

有關從電池取出電能的工作原理，全固態電池與鋰離子電池幾乎相同。金屬被用作為電極材料，離子通過電解質在正負極之間移動，從而產生電的流動。

全固態電池與鋰離子電池之間的主要區別在于電解質是否固體。如果電解質是液體，則有隔開正極和負極的隔膜，防止正極側的液體和負極側的液體急劇混合，而如是固態電解質，就不需要隔膜。

全固態電池研究的關鍵在于找到和開發固體材料。以前，沒有找到離子能在內部移動，使足夠的電向電極流動的固體材料，找到后全固態電池的開發日益活躍。通過將電解質從液體變為固體，離子在電池內頻繁移動，可以實現比鋰離子電池容量大、功率高的電池。

3. 全固態電池的種類

全固態電池按其制造方式被分類為“堆積型”和“薄膜型”兩大類，能儲存的能量的量不同。

堆積型全固態電池的特點：

粉體（粉和粒子等集聚的物質）被用作為電極和電解質的材料?？梢灾谱髂軆Υ娓嗄芰康拇笕萘侩姵?。設想主要用于電動汽車等大型物體；

薄膜型全固態電池的特點：

是以在真空狀態下在電極上堆積薄膜狀電解質的方式制造的電池。能儲存的能量少，無法輸出大容量。但有循環壽命長、易于制造等優點。因是小型，所以適合用于傳感器等小型設備。

4. 與鋰離子電池的區別，全固態電池的優點

作為下一代二次電池得到期待的全固態電池有以下所示的各種優點：

能耐低溫至高溫：

因為鋰離子電池的電解質使用可燃性有機溶劑（溶化不溶于水的物質的液體），所以擔心在高溫環境下的使用。而全固態電池的電解質不使用可燃性材料，所以在更高溫度下也可使用。

而且，在低溫下液體電解質中有時離子移動會變得遲鈍，電池性能會下降，電壓也會下降。而低溫下固體電解質也不會像液體般地結凍，所以內部的電阻并不怎么上升，電池性能也并不怎么下降。

可以快速充電：

耐高溫的優點在快速充電時也很有利。越是快速充電，電池的溫度越高，耐高溫的全固態電池能比現在的鋰離子電池更快速地充電。

壽命長：

電池的壽命因電解質的性質而異。因為鋰離子電池不利用其他二次電池似的電池反應，所以電極老化少，壽命長，但是長期使用時還是可見電解質的老化。在這一點上，因為全固態電池的電解質比液體的老化更少，所以可進一步延長壽命。

形狀的自由度高：

為了防止液體漏出，液體電解質在結構上有限制，而全固態電池因為沒有這種限制，所以易于小型化、薄型化，還可疊合、折彎使用，可以各種形狀使用。

5. 全固態電池的用途

所設想的全固態電池的用途

全固態電池的另一個備受期待的用途是電動汽車?，F在，鋰離子電池被用于電動汽車，如果使用全固態電池，則因為不含可燃性有機溶劑，所以可望降低由事故引起的起火等風險。另外，現在的電動汽車與加汽油相比，充電較花時間，如果使用全固態電池，則能更快速地充電。

另外，積極推進全固態電池實用化的原因之一是可以彌補鋰離子電池具有的不耐高溫的弱點。如果利用耐熱的特點，便可以直接焊接在電子基板上，所以設想可用于電子設備的備份電源和IoT傳感器等。如果用于電腦和智能手機等，便可實現更長時間、更有力地工作。

而且，與鋰離子電池相比，因為可以實現更大容量、更大功率，所以可望用于飛機和船舶等，而且因為能適應從高溫至低溫的溫度變化，所以還可望用于在宇宙空間所用的設備等。

6. 全固態電池的安全性

因為鋰離子電池將易于汽化的有機溶劑用作為電解質，所以人們擔心在高溫環境下的使用。另外，使用液體電解質時，為了不造成正極和負極因沖擊而直接接觸的狀態（短路），需使用將正極和負極隔開的隔膜等。

因為全固態電池的電極被固體隔開，所以不易發生短路，并因為使用耐熱性高的電解質，所以可以在更高溫度下使用。雖說如此，因為電池均是“能源罐頭”，所以全固態電池也有風險?？赡軙蚰撤N原因，電極發生短路，所以使用操作時需要小心謹慎。

7. 走向全固態電池實用化的課題

現在正以在2020年代上半葉實現全固態電池的實用化為目標，研發更高性能的固態電解質材料。而為了實用化，需要解決以下所示的課題：

固態電解質的課題：

為了讓電池發揮高性能，電極和電解質需要始終靠緊。因為液體電解質的形狀始終可變，所以即使電極有些許變化也能一直靠緊。而固體之間難以始終靠緊，這是一個課題。

電極物質的課題：

與現有的鋰離子電池相比，要大幅提高全固態電池的能量密度，需要開發在相同重量、大小下能儲存更多電力的電極。

制造工藝的課題：

因為電解質從液體變為固體，所以需要與鋰離子電池不同的制造工藝。

例如，全固態電池根據材料有氧化物系、硫化物系、氮化物系等，主流之一的硫化物系全固態電池所用的固態電解質具有即使碰上空氣中的水分也會變質的不耐水的性質。所以，要求嚴格的水分管理的全固態電池生產需要干燥室等專用設備。

如上所述，對于作為能進一步提高鋰離子電池性能的電池得到期待的全固態電池，現在正在各家企業中開展走向實用化的舉措。另一方面，鋰離子電池也在范圍廣泛的領域大顯身手。

下一講，我們將談談鋰離子電池為實現可持續發展社會發揮什么作用. 敬請期待！

文章來源： Murata村田中國