日本大阪公立大學開發出了用於製造全固態電池的固態電解質的新材料，在不使用資源分佈不均的稀有金屬鍺的前提下，達到了純電動汽車（EV）所需的部分性能。在全固態電池投入實用進入倒計時的背景下，經濟安全性得以保障的新材料的研發摸索取得進展。

  

  

      蓄電池的性能基本取決於電極材料和電解質兩方面。全固態電池以固體電解質取代普通鋰離子電池的有機溶劑電解液。由於有機溶劑具有可燃性，如果電解質改為固體，則能降低蓄電池的起火風險，提升安全性。

   

      同時，全固態電池在高溫下也能工作，因此不需要冷卻裝置，能量密度（單位體積儲存的能量）估計將達到現有鋰離子電池的2～3倍。

   

      部分車企提出了2020年代後半期實現全固態電池實用化的目標。雖然詳細的開發狀況目前沒有公佈，但有預測稱，投入實用的全固態電池在極端溫度條件下的工作、快速充電等性能方面均將超過鋰離子電池。

   

      在東京工業大學特聘教授菅野了次和豐田於2010年代發佈新型電解質之後，人們對全固態電池的期待也隨之高漲。固態電解質由含鍺的材料組成，離子電導率這一體現電池性能的指標也高於液體的電解質。

   

      中國佔全球鍺總産量的6～7成。從2023年8月開始，中國將實行出口管制。此外，鍺還被用於製造太陽能電池和光纖的原料，有廣泛的需求。全固態電池要想普及，就需要找到鍺的替代材料。傳統的鋰離子電池已經存在鋰等資源風險，全固態電池中還會加入鍺帶來的同樣的資源風險。

   

      大阪公立大學的林晃敏教授等人此次借助鋰、磷和硫的化合物製造了不含鍺的固體電解質，並將該電解質的離子電導率提高到了這一達到製造純電動汽車要求的水準。

   

      雖然此前就有以相同材料研發的固態電解質，但本次研究改進了結晶結構，使其電導率提高至之前的1萬倍。此外，此前也有報道已達到純電動汽車水準的固態電解質，但此次研究使用的是更加穩定的物質，更加便於製造。另外，本次研究使用硫和磷等相對低價原料的比例很高，材料費用也可以降低。林教授表示：「我們製造出了廉價、高性能和高耐久性的固體電解質」。

   

      研發固體電解質的先驅、東京工業大學特聘教授菅野了次也提出了很多改用錫和矽的電解質的報告，正在探索不使用稀有金屬等昂貴材料的生産方法。

   

      使用壽命是全固態電池投入實用的一大課題。隨著反覆充放電，電極材料會發生膨脹和收縮，導致固體電解質和電極的接著點分離，使離子難以移動。現有的鋰離子車載電池可以承受數千次充放電，而目前的全固態電池的壽命只有數十到幾百次。

   

  

      東京都立大學名譽教授金村聖志著力於研究「柔軟的電解質」。這是不易破裂的電解質材料，可以吸收電極材料發生膨脹或收縮等變化，使電解質和電極之間不易産生間隙。該材料由硼、碳和鋰等元素組成，不含鍺等其他稀有金屬。金村名譽教授試製出的直徑1.4釐米的硬幣大小的電池，在反覆充放電200次以上之後，電池容量幾乎沒有下降。

   

    

      雖然在研究階段中嘗試應用了各種新材料，但大多數材料在充放電數十次後便無法保持其性能。金村名譽教授強調，「這次的新材料是很有潛力的候選材料」。

    

      東京農工大學的名譽教授直井勝彥和副教授岩間悅郎等人的研究團隊也報告了新材料。據説是由離子容易通過的分子等組成的柔軟物質構成。即使充放電100次後仍能維持90%以上的性能。

   

      全固態電池的全球市場今後將不斷擴大，富士經濟預測到2040年將達到3.8605萬億日元。

   

      其他海外企業也提出了全固態電池投入實用的方針。特別引人注目的是南韓企業。南韓的三星SDI和SK On為了達到與豐田同樣的在2027～2028年前後投入實用的進度，正在加快電池開發和實驗工廠的建設。東京工業大學特聘副教授堀智表示，南韓發表了很多優秀的論文，在基礎研究方面非常活躍。歐美企業中，德國寶馬（BMW）計劃到2025年製造搭載全固態電池的樣車。

   

      日本在全固態電池的基礎研究方面一直領先世界。為了避免重蹈在鋰離子電池和太陽能電池等領域未能贏得市場的覆轍，需要通過産學合作,加快技術轉移，同時提高生産技術等。

  

  業內第一人 菅野了次：改良離不開基礎研究

  

      針對全固態電池的前景和課題，日本經濟新聞採訪了該領域研究的第一人、世界著名的東京工業大學特聘教授菅野了次。

  

東京工業大學特聘教授菅野了次

  

      記者：車企提出了全固態電池2020年代後半期投入實用的目標。

  

      菅野了次：這可能是因為企業已經有了保障電池安全性作為前提的開發計劃。全固態電池因具備一些優良的特性而被提出投入實用，但實用初期可能不會具備卓越的性能。

   

      鋰離子電池也在投入實用後，經過約30年的時間才在車載領域普及。全固態電池實用化後，或將繼續改良改善。僅靠企業自身很難，能否活用大學的基礎研究將變得至關重要。

  

      記者：尤其需要大學推進的研究課題有哪些？

      菅野了次：其一是提高電極材料的容量。目前全固態電池使用的是與鋰離子電池相似的物質作為電極，但應該存在能激發固體電解質潛力的材料。可能是鋰或矽等元素，基礎研究的職責就是找出這樣的新材料。

   

      另一個則是弄清電極和電解質接著點處發生的現象。雖然目前已知與電池性能老化有關，但仍有許多未知之處。提出新的分析方法也將成為企業提高電池可靠性的重要因素。

   

  日本經濟新聞（中文版：日經中文網）福井健人、草鹽拓郎、土屋丈太

   

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