改變我們生活的鋰離子電池 | 第四講：什么是全固態(tài)電池？實(shí)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(yè)大學(xué)特命教授菅野了次先生的監(jiān)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(tài)電池的研究狀況，做一個(gè)全面介紹專題。

第四講聚焦于被稱為“下一代電池”的“全固態(tài)電池”，它具有鋰離子電池相似的特點(diǎn)，我們將談?wù)勊c現(xiàn)在的鋰離子電池的區(qū)別、所設(shè)想的用途和走向?qū)嵱没恼n題等。。

1. 什么是全固態(tài)電池？

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

電解質(zhì)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(zhì)成為固體后，還具有比鋰離子電池安全的優(yōu)點(diǎn)，裝載于電動汽車等的可能性也引人注目。

全固態(tài)電池如果能夠?qū)嵱没?，將具備各種優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在，各家公司正在為大量供應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和量產(chǎn)化而互相激烈競爭。

2. 全固態(tài)電池的工作原理

有關(guān)從電池取出電能的工作原理，全固態(tài)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(zhì)在正負(fù)極之間移動，從而產(chǎn)生電的流動。

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

全固態(tài)電池研究的關(guān)鍵在于找到和開發(fā)固體材料。以前，沒有找到離子能在內(nèi)部移動，使足夠的電向電極流動的固體材料，找到后全固態(tài)電池的開發(fā)日益活躍。通過將電解質(zhì)從液體變?yōu)楣腆w，離子在電池內(nèi)頻繁移動，可以實(shí)現(xiàn)比鋰離子電池容量大、功率高的電池。

3. 全固態(tài)電池的種類

全固態(tài)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(tài)電池的特點(diǎn)：

粉體（粉和粒子等集聚的物質(zhì)）被用作為電極和電解質(zhì)的材料。可以制作能儲存更多能量的大容量電池。設(shè)想主要用于電動汽車等大型物體；

薄膜型全固態(tài)電池的特點(diǎn)：

是以在真空狀態(tài)下在電極上堆積薄膜狀電解質(zhì)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(huán)壽命長、易于制造等優(yōu)點(diǎn)。因是小型，所以適合用于傳感器等小型設(shè)備。

4. 與鋰離子電池的區(qū)別，全固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)

作為下一代二次電池得到期待的全固態(tài)電池有以下所示的各種優(yōu)點(diǎn)：

能耐低溫至高溫：

因?yàn)殇囯x子電池的電解質(zhì)使用可燃性有機(jī)溶劑（溶化不溶于水的物質(zhì)的液體），所以擔(dān)心在高溫環(huán)境下的使用。而全固態(tài)電池的電解質(zhì)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(zhì)中有時(shí)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(zhì)也不會像液體般地結(jié)凍，所以內(nèi)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(yōu)點(diǎn)在快速充電時(shí)也很有利。越是快速充電，電池的溫度越高，耐高溫的全固態(tài)電池能比現(xiàn)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(zhì)的性質(zhì)而異。因?yàn)殇囯x子電池不利用其他二次電池似的電池反應(yīng)，所以電極老化少，壽命長，但是長期使用時(shí)還是可見電解質(zhì)的老化。在這一點(diǎn)上，因?yàn)槿虘B(tài)電池的電解質(zhì)比液體的老化更少，所以可進(jìn)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(zhì)在結(jié)構(gòu)上有限制，而全固態(tài)電池因?yàn)闆]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(tài)電池的用途

所設(shè)想的全固態(tài)電池的用途

全固態(tài)電池的另一個(gè)備受期待的用途是電動汽車?，F(xiàn)在，鋰離子電池被用于電動汽車，如果使用全固態(tài)電池，則因?yàn)椴缓扇夹杂袡C(jī)溶劑，所以可望降低由事故引起的起火等風(fēng)險(xiǎn)。另外，現(xiàn)在的電動汽車與加汽油相比，充電較花時(shí)間，如果使用全固態(tài)電池，則能更快速地充電。

另外，積極推進(jìn)全固態(tài)電池實(shí)用化的原因之一是可以彌補(bǔ)鋰離子電池具有的不耐高溫的弱點(diǎn)。如果利用耐熱的特點(diǎn)，便可以直接焊接在電子基板上，所以設(shè)想可用于電子設(shè)備的備份電源和IoT傳感器等。如果用于電腦和智能手機(jī)等，便可實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間、更有力地工作。

而且，與鋰離子電池相比，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)更大容量、更大功率，所以可望用于飛機(jī)和船舶等，而且因?yàn)槟苓m應(yīng)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(shè)備等。

6. 全固態(tài)電池的安全性

因?yàn)殇囯x子電池將易于汽化的有機(jī)溶劑用作為電解質(zhì)，所以人們擔(dān)心在高溫環(huán)境下的使用。另外，使用液體電解質(zhì)時(shí)，為了不造成正極和負(fù)極因沖擊而直接接觸的狀態(tài)（短路），需使用將正極和負(fù)極隔開的隔膜等。

因?yàn)槿虘B(tài)電池的電極被固體隔開，所以不易發(fā)生短路，并因?yàn)槭褂媚蜔嵝愿叩碾娊赓|(zhì)，所以可以在更高溫度下使用。雖說如此，因?yàn)殡姵鼐恰澳茉垂揞^”，所以全固態(tài)電池也有風(fēng)險(xiǎn)。可能會因某種原因，電極發(fā)生短路，所以使用操作時(shí)需要小心謹(jǐn)慎。

7. 走向全固態(tài)電池實(shí)用化的課題

現(xiàn)在正以在2020年代上半葉實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的實(shí)用化為目標(biāo)，研發(fā)更高性能的固態(tài)電解質(zhì)材料。而為了實(shí)用化，需要解決以下所示的課題：

固態(tài)電解質(zhì)的課題：

為了讓電池發(fā)揮高性能，電極和電解質(zhì)需要始終靠緊。因?yàn)橐后w電解質(zhì)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(gè)課題。

電極物質(zhì)的課題：

與現(xiàn)有的鋰離子電池相比，要大幅提高全固態(tài)電池的能量密度，需要開發(fā)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?yàn)殡娊赓|(zhì)從液體變?yōu)楣腆w，所以需要與鋰離子電池不同的制造工藝。

例如，全固態(tài)電池根據(jù)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(tài)電池所用的固態(tài)電解質(zhì)具有即使碰上空氣中的水分也會變質(zhì)的不耐水的性質(zhì)。所以，要求嚴(yán)格的水分管理的全固態(tài)電池生產(chǎn)需要干燥室等專用設(shè)備。

如上所述，對于作為能進(jìn)一步提高鋰離子電池性能的電池得到期待的全固態(tài)電池，現(xiàn)在正在各家企業(yè)中開展走向?qū)嵱没呐e措。另一方面，鋰離子電池也在范圍廣泛的領(lǐng)域大顯身手。

下一講，我們將談?wù)勪囯x子電池為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會發(fā)揮什么作用. 敬請期待！

文章來源： Murata村田中國