挑战终极安全电池

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2019/01/31

挑战终极安全电池全固态锂离子二次电池的实际应用正在扩大

3935_4079安全性显着提升的全固态电池AIST正在开发硫化物基全固态电池完成的电池片同样适用于氧化物基全固态电池世界顶级性能，我们正在向商业化迈出重要一步，并为电动汽车的普及做出贡献。

确保安全对于电动汽车的安装至关重要

　具有高能量密度的锂离子二次电池（蓄电池）被用于包括手机和笔记本电脑在内的各种移动设备，近年来也被安装在电动汽车中。但从对携带物品的限制可以看出，发热和火灾的风险无法消除，安全问题确实存在。

锂离子二次电池的充电和放电是通过锂离子在正极和负极之间的电解液中移动来进行的，但由于这种电解液使用易燃有机溶剂，因此原则上很难消除由于过度充电或内部短路而发热或起火的可能性。

　对于移动设备和工业设备来说，不仅需要高容量和高输出，还需要具有高安全性和可靠性。特别是汽车高速行驶，容易发生碰撞等事故，因此对安装在其中的电池的安全性和可靠性要求更高。

　人们对使用不易燃的无机固体电解质代替有机溶剂的“全固态锂离子二次电池”寄予厚望。电极和电解质使用固体材料预计将显着提高安全性，日本十多年前就组织了一个大型产学官合作项目来开发这项技术。

　AIST也参与了该项目，并负责研究和开发一种制造工艺，以弥合基础材料开发和商业化之间的差距。固体电解质材料主要有两种类型，硫化物基和氧化物基，我们正在继续开发这两种材料以实现实际应用。”蓄电设备研究小组负责人Hironori Kobayashi表示。在这里，我们将介绍AIST的硫化物系和氧化物系全固态锂离子二次电池的当前成果。

硫化物基全固态电池接近实用化

　两种全固态锂离子二次电池的特性请参见下页表格。其中，硫化物基全固态锂离子二次电池具有高可塑性（柔软性），是一种很有前途的技术，由于电极和电解质之间的界面易于粘合，并且可以在室温下制造，因此终于开始投入实际应用。

　“我认为配备硫化物全固态电池的电动汽车将于 2025 年开始出现在世界各地，”曾在 AIST 参与这项研究、现就职于大阪府立大学的 Atsushi Sakuta 说道。该公司表示，虽然它是一次性原型机，但已经证明它可以安装在汽车上并进行驾驶。

　由于材料和材料是已知的技术，下一步就是找出如何使它们更容易在工业上使用。例如，问题包括如何创建致密的电极层，如何平滑离子的运动以促进良好的电极反应，以及如何控制固体之间的界面。''

负责开发硫化物全固态电池的Kentaro Kuratani说道。通过这些多方面的努力，Sakuta、Kuratani 和同事们提高了全固态电池的性能，并于 2017 年成功开发出了一种原型片状全固态锂离子二次电池，其电极形成在集流体箔上。当然，我们也能够确认它按预期工作。事实上，它可以制成板材，这意味着我们距离扩大面积更近了，换句话说，距离大规模生产更近了。

　固体电解质层的厚度仅为40μm或更小。容量和能量密度与传统的锂离子二次电池相当。”（Kuratani）

　然而，硫化物全固态电池的最大问题是在制造过程中可能会产生有害的硫化氢。在实验室中，电池是在与外界空气隔离的环境中制造的，以防止暴露于含有水分的空气中，并且不会产生硫化氢，尽管在正常环境中会产生硫化氢。如果这一点不搞清楚，工厂生产就会很困难。其他大学目前正在致力于开发可在大气中使用的高防潮材料。

　这一点很重要，因为AIST在寻找量产技术时的想法是能够使用与当前锂离子二次电池相同的工艺来制造它们。

　如果我们能做到这一点，我们就能快速批量生产。我们的目标是开发一种具有层压薄电极和电解质的片状全固态锂离子二次电池。”（Kuratani）

　硫化物系材料已接近实用化，但要真正广泛应用于电动汽车，还存在快速充电、小型化、轻量化等问题。迄今为止，硫化物系材料一直由日本主导，但近年来，受到世界各地的追捧。我们希望通过尽快将该技术投入实用，并在产品投入实用后开发下一个新技术进行进一步改进，以提高我们的竞争力并保持优势。”（咲田）

即使使用高度安全的氧化物也能实现世界一流的性能

　“氧化物基材料化学稳定性高，不会排放有毒物质，因此不需要安全设备。因此，它们可以小型化，可以直接集成到芯片中，这被认为是一大优势。但是，目前在投入实际使用之前，还有很多障碍需要克服。”

　来自同一研究小组的Toyohata Okumura将解释氧化物基全固态电池。

　氧化物基材料比硫化物基材料更硬，并且离子流动不顺畅。此外，连接材料的界面本身也难以牢固地结合。为了解决这些问题，产业技术研究所采用陶瓷技术，开发出可在低温下烧成的电解质，并进行了降低电极与电解质之间的界面电阻的研究。

　当试图提高电池性能时，第一步通常是开发高离子电导率的材料，而对界面的研究往往处于次要位置。当然，AIST也在致力于开发高离子电导率的材料，但通过同时推进界面控制的研究，我们能够在各个方向上提高性能。”（奥村）

　只需在室温下压制，软硫化物就可以在界面处正确粘合。然而，就氧化物而言，使用陶瓷技术创建粘合界面之前需要超过 1000 摄氏度的高温烧结。

　制造传统锂离子二次电池时，其温度仅加热到100多摄氏度。另一方面，当使用氧化物基材料制造电池时，问题在于锂离子二次电池中使用的材料由于在高温下烧结而分解。

　奥村发现了一种将作为电解质材料的压实粉末放入石墨夹具中并通过直流脉冲电流的方法。与使用电炉等的烧结方法相比，由于可以直接加热材料，并且可以在较低的温度和较短的时间内完成烧结，因此更加节能。这使得使用陶瓷技术制造电池成为可能。此外，他们还发现，当烧结温度为200℃至250℃时，成形体变得更致密，并且利用这一事实，他们成功地抑制了锂离子二次电池用材料的分解。

　“作为实验室水平的氧化物基全固态锂离子二次电池，性能已经达到世界顶尖水平。未来，我们将修改材料以提高其离子电导率，在与企业交换意见的同时，我们将探索更好的电池组装方法。” （奥村）

与企业合作开发各种用途的全固态电池

　至于未来的发展方向，硫化物产品的目标是在汽车等大规模应用中得到实际应用，而氧化物产品将首先用作物联网芯片等小型设备的电源，并最终扩展到智能手机、可穿戴设备等可穿戴设备，未来有望创造更大的市场。该公司还计划在未来将其转化为片状电池，并设想未来有可能用氧化物片状电池取代硫化物片状电池。

　AIST认为，为了将硫化物系和氧化物系产品实用化，需要与尽可能多的企业合作。因为我们在研发过程中认识到，多角度考虑才能带来技术进步。

　全固态电池比离子液体或液体电解质具有更高的锂离子迁移数，并且由于只有锂离子移动，因此可以实现高输出，这使得它们作为电池具有天然的优越性。为了普及这种高性能电池，AIST正在考虑如何利用现有的锂离子二次电池制造设备。如果您认为可以使用贵公司的材料和技术，请联系AIST。这里提供电池制造的专用设备和评估技术。让我们一起创造未来的电池。”Kuratani 说道。