支撐純電動汽車（EV）、智慧手機和筆記型電腦等數位設備普及的是大容量電池。但是，目前廣泛使用的鋰離子可充式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所工學研究科準教授作田敦在「日經XTECH Learning」中開設了「從全固態鋰離子電池到全固態鋰硫磺電池的解説」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」。關於全固態電池開發的基礎知識、課題和所處階段，採訪了作田敦準教授。

 

 

大阪公立大學研究所工學研究科準教授   作田敦

 

      記者：什麼是「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，還是一般用作智慧手機電池等的鋰(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，借此産生電流。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，而介於兩者之間的電解質則是液體電解液。

 

 使用壽命長，易於快速充電

 

      記者：為什麼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可充式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，並作為可充式電池使用，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製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。如果可充式電池無法繼續使用，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、同時可充式電池的劣化導致續航里程縮短的隱憂，那麼EV的購買意願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，因此用於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。因為這意味著應用於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，會産生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。儘管現在的鋰離子電池並不是很危險，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。因在製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，實際上在日本並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産體制

  

      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産。與鋰離子電池相比，量産工藝存在各種課題。
  

      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製造電解質層。另一方面，全固態電池一般採用的硫化物固態電解質每1平方釐米需要用1t左右的壓力壓固。如果是10平方釐米，就需要10t的壓力。

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

 

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

      記者：那麼，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年後或許實現生産10輛及100輛左右。但要達到能量産的體制，能面向大眾銷售的水準，還不好説需要多長時間。

 

      面向EV量産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，也要首先小規模製造，進行行駛測試，找出缺陷等，然後構建量産體制。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，電解質採用的硫化物類材料一接觸空氣就會劣化，或者産生硫化氫。

 

      有時即使在研究室的乾燥室能夠製造，但以工廠的濕度也有無法製造足夠品質電解質層的事情。目前在推進開發即使濕度並不完全受到控制的工廠，也可以生産的技術。

 

      不過，雖説需要時間，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考慮製造業。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。

  

      作田 敦： 日本大阪公立大學研究所工學研究科物質化學生命係專業應用化學領域準教授

      2011年日本大阪府立大學研究所工學研究科物質化學系專業博士後期課程修完後，同年任日本學術振興會特別研究員。2012年任産業技術綜合研究所研究員。2016年任該研究所主任研究員。2017年任大阪府立大學研究所工學研究科助教，2020年任準教授。2022年起任現職。專業領域是新一代可充式電池用材料（全固態電池、鋰硫黃電池）及無機材料化學。

  

  記者為 高市清治 日經XTECH、Koyama Takahiro 自由撰稿人

    

資料來源：日經XTECH
https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/mag/nmc/18/00046/00045/

  

  

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