日本大阪公立大學研究人員談電動汽車及全固態電池技術

支撐純電動汽車（EV）、智能手機和筆記本電腦等數碼設備普及的是大容量電池。但是，目前廣泛使用的鋰離子充電電池也被指存在安全方面的風險，還面臨大容量化和長壽命化等課題。日本大阪公立大學研究生院工學研究科準教授作田敦在“日經XTECHLearning”中開設了“從全固態鋰離子電池到全固態鋰硫磺電池的解說”講座，表示“作為新一代電池備受矚目的是不含電解液的全固態電池”。關于全固態電池開發的基礎知識、課題和所處階段，采訪了作田敦準教授。

記者：什么是“全固態電池”？

作田敦：全部由固體構成的電池。無論是全固態電池，還是一般用作智能手機電池等的鋰(Li)離子電池(LIB)，相同的是放電時內部的離子移動到正極，充電時移動到負極，借此產生電流。全固體電池不管是正極、負極，還是正極和負極之間的電解質均為固體。相比之下，目前廣泛使用的鋰離子電池的正極和負極的材料均為固體，而介于兩者之間的電解質則是液體電解液。

使用壽命長，易于快速充電

記者：為什么全固態電池備受關注？

作田敦：因為這是成為普及純電動汽車（EV）關鍵的技術。與目前作為EV充電電池使用的鋰離子電池相比，全固態電池具有壽命更長、耐高溫特性優異、安全性高、同時能提高輸出功率等優點。

如果擁有這些優點的全固態電池能夠實用化，并作為充電電池使用，能夠解決EV所面臨的諸多課題。正因為如此，目前幾乎所有的汽車廠商和電池制造商都在研究和開發全固態電池。

例如，能穩定長期使用這一點與EV本身的壽命直接相關。如果充電電池無法繼續使用，汽車就將無法行駛。即使能夠使用，如劣化導致性能下降，充滿電能行駛的續航里程也將縮短。與汽油車相比，續航里程短已成為EV普及的瓶頸，如果存在壽命短、同時充電電池的劣化導致續航里程縮短的隱憂，那么EV的購買意愿被削弱也就不足為奇了。

從鋰離子電池來看，在鋰離子移動時，其他離子和溶劑也會移動，因此用于電解質層的電解液會逐漸劣化。與之相對，在全固態電池上，只有鋰離子在電解質層中移動，因此不容易劣化，壽命相對較長。

此外，全固態電池已被確認在目前的鋰離子電池難以工作的60℃以上環境中也基本不會劣化。這個特點也很重要。因為這意味著應用于EV之際，與鋰離子電池相比，更容易實現快速充電。

鋰離子電池的耐熱性較差，在60℃以上的高溫下會劣化。如果快速充電，會產生60℃以上的高溫，劣化將加劇，因此控制了充電速度。如果充滿電需要1小時，與只需幾分鐘即可將油箱裝滿的汽油車相比，在便利性方面相形見絀。如果為了節省時間而不充滿電，行駛的距離就會縮短。假如搭載全固態電池，這種便利性的劣勢就將得到大幅改善。

起火的危險性低，安全方面更可靠

電解液變成固體可以提高安全性。盡管現在的鋰離子電池并不是很危險，但是偶爾會發生起火事故。這是因為電解液中使用了可燃性的有機溶劑。因在制造過程中異物混入電解質層等原因，有引發內部短路、因熱失控而起火的危險性。實際上，因鋰離子電池起火導致的EV起火的事故也有報道。

全固態電池通過使用不易燃的電解質，可以避免起火的危險。鋰離子電池也很少發生火災，實際上在日本并未出現鋰離子電池起火導致的EV起火。但即使1億輛汽車中有一輛發生起火事例，也將嚴重損害可靠性。這一點也是全固態電池的實用化受到期待的重要原因。

記者：輸出功率是否也會超過鋰離子電池？

作田敦：在研究層面，已經有了輸出功率比鋰離子電池更高的全固態電池。而且在高溫下可以獲得數倍的輸出功率。如前所述，這是在高溫下會劣化的鋰離子電池所沒有的優勢。

最大的課題是構建量產體制

記者：為了實現實用化，都面臨哪些課題？

作田敦：最大的課題就是能否量產。與鋰離子電池相比，量產工藝存在各種課題。

首先，電解質層的成形需要高壓壓力。鋰離子電池是在開孔的聚合物膜上澆注電解液以制造電解質層。另一方面，全固態電池一般采用的硫化物固態電解質每1平方厘米需要用1t左右的壓力壓固。如果是10平方厘米，就需要10t的壓力。

這種高壓壓力考驗技術實力，并且也需要壓力設備，還需要很多工時。制造每年供幾十萬輛EV使用的全固態電池并不容易。

原材料成本比采用廉價電解液的鋰離子電池高，也是量產時需要考慮的問題。希望固態電池的壽命超過現有鋰離子電池的性能。在量產大尺寸全固態電池時，這一點需要充分考慮。

記者：那么，配備全固態電池的EV距離實用化還很遙遠嗎？

作田敦：現在已經到了實際配備全固態電池的EV試行駛的階段。3年后或許實現生產10輛及100輛左右。但要達到能量產的體制，能面向大眾銷售的水平，還不好說需要多長時間。

面向EV量產能確保充足續航距離的大尺寸全固態電池還需要時間。即使解決了技術性課題，也要首先小規模制造，進行行駛測試，找出缺陷等，然后構建量產體制。也有調查結果顯示，到2035年左右可以形成1～2萬億日元規模的市場。即便如此，最初肯定先從高端車開始配備。

也面臨材料課題。比如，電解質采用的硫化物類材料一接觸空氣就會劣化，或者產生硫化氫。

有時即使在研究室的干燥室能夠制造，但以工廠的濕度也有無法制造足夠品質電解質層的事情。目前在推進開發即使濕度并不完全受到控制的工廠，也可以生產的技術。

不過，雖說需要時間，但技術卻在穩步進步。另外，擴大EV市場需要全固態電池實用化。現在，不能拋開EV考慮制造業。要想更加準確地捕捉EV市場的動向，需要關注全固態電池的開發情況。

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