终极电池，全固态电池
促进电动汽车的传播加速

2019年诺贝尔化学奖授予三人，其中包括原旭化成公司的吉野彰，以表彰锂离子二次电池的发明。诺贝尔奖是科学领域最负盛名的奖项。许多奖项是奖励基础科学领域的发现和研究成果。熟悉的工业产品中的发明屈指可数，比如获得2014年诺贝尔物理学奖的蓝色二极管的发明。

改变世界的锂离子二次电池

为什么锂离子二次电池是一项值得获得诺贝尔奖的发明？这是因为它是一项具有巨大影响的技术，带来了电子设备的发展，彻底改变了我们的生活、工作和社会活动。

智能手机、笔记本电脑等便携式电子设备现已成为现代生活中不可或缺的工具。有了这些，您可以随时随地与任何人联系、交谈、工作、购物和观看内容。另一方面，智能手机的功耗约为 10W，笔记本电脑的功耗较大，为 20 至 30W。如果没有电池，这些电子设备就不会存在，电池可以在实际时间内提供足够的电力，但又足够小，便于携带。唯一能够满足这些要求的电池是锂离子二次电池（图1）。

[图 1] 电池的发展促进了便携式设备的发展。
创建者：伊藤元明
照片：Adobe Stock、Asahi Kasei、Sony、Murata Manufacturing、Hitachi Zosen

电池性能由两个指标表示。一是能量密度（以Wh/kg或Wh/l为单位），它表明较小的电池可以存储更多的电量。这是电池续航能力的指标，应用于智能手机时，它决定了电池寿命的长短。另一个显示充电和放电过程中输入和输出功率的大小。功率密度（单位：W/kg 或 W/l）。它是一个显示电池瞬时电量的指标，应用于智能手机时，它决定了充电时间的短短以及可以运行的应用程序的负载大小。

从这两项性能指标来看，锂离子电池的性能如此之高，以至于为便携式电子设备供电的电池无可替代。与其他类型的电池相比，铅酸电池的能量密度较低。^*1、镍氢二次电池^*2的25倍，功率密度约为铅酸电池的33倍，与镍氢电池相当。

此外，锂离子二次电池非常容易用作便携式电子设备的电池。首先，电池通常在反复充放电时性能劣化，但锂离子二次电池即使在充放电后也不易劣化。另外，在充放电时，具有即使在未完全放电的状态下加满充电也不易劣化的特性。

锂离子二次电池的几个缺点是安全

虽然锂离子二次电池是极其优秀的电池，但它们仍然存在一些缺点。其中，安全性是扩大应用领域的最大问题。^*3。

锂离子二次电池如果因撞击而损坏或在高温环境下使用，可能会着火或爆炸。因此，很难将它们用于始终佩戴在身上的可穿戴设备、放置在恶劣环境中的物联网设备以及安全性为重中之重的电动汽车电池。相反，如果我们能够提高锂离子二次电池的安全性，这些电子设备和汽车就可以取得巨大进步。

提高锂离子二次电池的安全性一直很困难，因为它们需要使用容易着火的挥发性液体有机溶剂。锂离子二次电池通过在电池内部的正极和负极之间交换锂离子来进行充电和放电（图2）。此时，锂离子在填充两个电极之间空间的液体电解质中移动。如果可以使用水溶液作为电解质，会更安全一些，但由于锂容易与水发生反应，因此电解质必须通过将锂盐溶解在易燃有机溶剂中来制成。电池如果破裂、漏液，是极其危险的，而且如果在高温环境下使用，化学反应会过度进行，导致电池迅速劣化。

[图2]锂离子二次电池和全固态电池的结构
创建者：伊藤元明

此外，当使用液体电解质时，必须采取措施防止正极和负极直接接触。这是因为，如果电极彼此接触，则发生短路，其中瞬间流过大电流，并且有机溶剂可能着火。因此，需要使用称为隔膜的部件来分隔电极，使得锂离子可以自由移动，但电极之间不会直接接触。然而，如果施加某种冲击，隔膜就会损坏并发生短路。

克服缺点并增加优点的全固态电池

全固态电池有望作为在保持锂离子二次电池优点的同时提高安全性和耐环境性的电池而投入实际应用（图3）。这个概念很简单：电解质不是易燃电解质，而是由不会阻碍离子运动的固体材料制成，从而提高了安全性。使用不燃材料消除了起火或爆炸的可能性，使用固体材料固定正负极的位置并将其分开，减少了短路的可能性。如果能够实现这一点，则可以在以前因安全问题而无法使用的应用程序中使用它。为此，目前世界各地的企业和研究机构都在积极致力于全固态电池的实际应用研究和开发。

[图3]全固态电池相对于锂离子二次电池的优势
创建者：伊藤元明

固态电池的好处不仅仅是提高安全性。它具有许多有利于扩展其应用程序的功能。

首先，通过使电极和固体电解质更薄并大量堆叠它们，可以进一步减小尺寸并增加容量。此外，根据应用可以容易地改变电极材料。液体电解质与电极具有化学相容性，因此无法将优质电极和优质电解质自由组合。电极材料不断发展，全固态电池很容易从中受益。如果利用这些特性，当前的智能手机和笔记本电脑将有可能支持更大的容量、更高的输出和更快的充电。

此外，由于不需要容器来密封液体电解质，因此电池本身的形状变得更加灵活。除了硬币形和圆柱形电池之外，还可以制造各种形状的电池，还可以将电池嵌入电子电路的间隙中并将其安装在高度设计的设备中。此外，由于固体电解质通常比液体电解质具有更高的耐热性和耐环境变化性，因此它们可以用于更广泛的应用。它也可以放心地用于佩戴在身体上的设备，因为如果设备损坏，有害液体不会渗出。另外，由于其耐热性增强，因此具有在组装设备时能够与其他电子元件安装在一起的优点，降低组装成本。

使用两种不同特性的固体电解质

固体电解质主要有两种，是全固态电池的核心技术：“硫化物基”和“氧化物基（陶瓷）”^*4每个人都有优点和缺点。

硫化物基电解质适合增加容量和输出，并且正在考虑将其用作电动汽车电池。硫化物基材料适合增加容量和输出，因为材料本身具有较高的锂离子传导性，并且也易于使电极和电解质紧密接触。电极和电解液之间的粘附力差会降低电池性能，但这不是主要问题，因为硫化物像橡胶一样具有柔性的机械性能。

另一方面，由于它使用硫作为主要原料，因此仍然存在着火的风险，并且如果电池分解并与湿气接触，可能会产生有害的硫化氢，因此安全问题仍然取决于应用。

由于物质本身极其稳定，氧化物基材料具有高度安全和持久的优点。如果您选择固体电解质时将安全性作为首要考虑因素，那么使用氧化物型电解质是理想的选择。

另一方面，其缺点是容量和产量难以提高，用途受到限制。因此，正在考虑应用于不需要如此大容量和高输出的可穿戴设备和物联网设备。与硫化物系材料相比，难以提高性能的原因在于，作为原料的陶瓷粒子较硬，难以提高与电极的密合性。

全固态电池的实际使用对于电动汽车的全面普及至关重要

接下来，我们将介绍作为电动汽车电池而开发的全固态电池的趋势。

普锐斯是丰田汽车公司于1997年推出的混合动力汽车，其电池使用镍氢二次电池。这是因为我们确定镍氢二次电池是唯一一种既需要一定程度的高输出又要保证安全性的电池。相反，虽然锂离子二次电池具有高性能，但其安全性仍令人担忧。

混合动力汽车同时使用电动机和发动机。这意味着您可以信赖该发动机，尤其是在需要高输出的情况下，例如在高速公路上加速时。另一方面，电动汽车需要能够在仅使用电机行驶时处理任何情况，这需要能够处理高输出的电池。因此，美国特斯拉等公司推出的电动汽车均使用锂离子二次电池。

在当前的汽车行业中，认为锂离子二次电池可以确保足够安全性的汽车制造商活跃于电动汽车，而那些认为自己尚未实现足够安全性的汽车制造商往往不愿购买电动汽车。如果全固态电池能够实用化，所有厂商都会加速向电动汽车发力。此外，如上所述，与现有的锂离子二次电池相比，它们在容量、输出和充电时间方面有可能得到改善（图4）。

[图 4] 不同方法的电池性能
创建者：伊藤元明
来源：丰田汽车公司在环境相关产品/技术展览会“Eco Products”上的展览

日本正在致力于全固态电池以加强其汽车工业

在以汽车工业为制造业核心的日本，新能源产业技术综合开发机构（NEDO）启动了涉及23家企业的100亿日元开发项目，开发全固态电池技术。该公司的目标是到2022财年建立全固态电池的基础技术，到2030年左右电池组的体积能量密度将增加两倍至600Wh/L，成本将降至目前水平的1/3至10,000日元/kWh，电动汽车的快速充电时间将缩短至10分钟的1/3。

在全球汽车制造商中，丰田汽车公司是最积极致力于全固态电池开发和商业化的公司。该公司正在开发用于电动汽车的硫化物全固态电池，目标是在 2020 年代上半叶实现商业化。早在2019年，我们就在相对低功耗的单座紧凑型电动汽车COMS上安装了全固态电池，并成功进行了实验运行（图5）。 2020年，该公司宣布将推出一款配备固态电池的车辆。

[图5]丰田原型的全固态电池（左）和用于实验驾驶的小型电动汽车（右）
来源：丰田汽车公司在汽车技术展览会“人类与汽车技术展览会”上的展览，丰田汽车车身

目前使用液体电解质的锂离子二次电池的体积能量密度约为200Wh/L。丰田似乎认为，仅通过改进现有的锂离子二次电池很难克服300至400Wh/L之间的技术障碍，并且不可能制造出一次充电可行驶超过500公里的小型电动汽车。而全固态电池则可以实现800Wh/L左右的能量密度。

该公司首先开发一种全固态电池，使用硫化物基固体电解质以及来自经过现场验证的锂离子二次电池的正负极材料。未来，该公司还在考虑使用更安全的氧化物固体电解质。东京工业大学和丰田汽车公司于 2011 年发现了 LGPS，这是一种由锂、锗、磷和硫制成的氧化物固体电解质（图 6）。与传统液体电解质相比，它的离子电导率是传统液体电解质的两倍，输出特性可提高三倍。此外，它可以在低至-30℃至高达100℃的温度下稳定充电和放电。

[图6]东京工业大学和丰田汽车公司发现的氧化物基固体电解质“LGPS”（左），锂离子在晶体结构中移动的示意图（右）
来源：东京工业大学

我们正在逐步攀登实际应用的阶梯

然而，无论是硫化物基还是氧化物基，在实际应用中仍然存在需要克服的问题。特别是，通过多层堆叠固体电解质电池来提高容量和输出存在很大问题。

增加容量和产量需要稀释电解质的技术。然而，传统的压制方法最多只能将固体电解质减薄至300至500μm。丰田汽车公司利用将电解质粉末与液体和胶水混合的湿式涂覆技术，成功地将厚度减小到20至50μm，并将离子电导率提高了10倍以上。然而，为了实现高性能，必须增加电极和固体电解质之间的接触面积以保持紧密接触。丰田汽车公司与松下成立了一家名为 Prime Planet Energy & Solutions 的合资企业，正在致力于开发全固态电池来解决这些问题。

海外开发电动汽车全固态电池的运动日益盛行。特别是在美国，据说某些风险投资公司从包括日本在内的世界各地的公司获得了数十亿日元至超过100亿日元的资金。此外，积极参与电动汽车开发的中国企业也开始涉足全固态电池的开发。

在欧洲，各个国家和地区的政府和汽车行业正在共同推动一项名为“EV转变”的运动，以推动电动汽车的普及，以应对发动机汽车的终结。随着电动汽车成为汽车产业的支柱，全固态电池等高附加值技术的获得对于增强未来产业竞争力至关重要。下一次，我们将讲解支持可穿戴设备、物联网设备等新型信息设备演进的全固态电池的发展趋势。

作家

伊藤元明（伊藤元明）

光线有限公司代表

在富士通担任 3 年半导体开发工程师，在 Nikkei Micro Devices、Nikkei Electronics、Nikkei BP Semiconductor Research 等公司担任记者/台/主编 12 年新闻工作，在 Techno Associates（Nikkei BP 和三菱商事的合资智库）担任顾问 6 年为制造商业务提供支持，以及在日本担任广告制作人 4 年营销支持Nikkei BP 技术信息组的广告部门。

2014年，他独立成立了光线有限公司。该公司提供专门从事技术营销的支持服务，公司考虑并付诸实践如何向目标受众（主要是科技公司）准确传达技术的价值。

网址：http://wwwenlight-inccojp/