什么是全固态电池？

什么是全固态电池？

2025/10/24

首次发布于 2022 年 7 月 20 日

随着从汽油动力汽车向电动汽车 (EV) 的转变，电池开始引起人们的关注。其中，全固态电池的期望值最高。与传统的锂离子二次电池（LIB）相比，全固态锂离子电池的性能受到了很高的期望，例如能够承受温度变化并降低着火风险，以及每次充电可以行驶更远的距离以及能够像汽油动力汽车加油一样快速充电。我们采访了电池技术研究部的 Hironori Kobayashi、Kentaro Kuratani 和 Toyohata Okumura，了解了 AIST 正在研究的两种全固态电池（硫化物电池和氧化物电池）。

对全固态电池的期望

什么是锂离子二次电池

电池有多种类型。

这里我们要谈谈锂离子二次电池（LIB）。 “二次电池”是指可以重复充电和使用而不是使用一次的电池。 LIB就是其中之一，目前使用锂化合物作为正极，石墨基材料作为负极，之所以如此命名是因为穿过电解质的离子是锂离子。

　与其他电池相比，锂离子电池具有许多优点，例如能够产生高电压、具有高能量密度（每单位重量的能量）以及即使在反复充电和放电后也不易劣化，并且已被大量用于手机、笔记本电脑和电动汽车（EV）等产品中。

固态电池的优点

全固态锂离子电池（以下简称全固态电池）是一种通过将这种锂离子电池的电解质改为固态来大幅提高性能的尝试。制造全固态电池有很多优点。

　首先，着火的风险小，安全。

　传统的锂离子电池使用易燃的有机化合物作为电解质，因此如果电池的负载以某种方式变大并且电池的温度升高，在最坏的情况下，电池可能会烧毁。全固态电池使用固体电解质，可以降低火灾风险。

　其次，它能抵抗温度变化。

　含有机化合物的电解液在低温下会降低充放电性能，在高温下则存在安全问题。相信很多人都经历过在寒冷的冬季手机电池电量快速耗尽的情况。如果温度超过一定范围，目前使用的锂离子电池就不能再用作电池。然而，全固态电池中使用的固体电解质非常稳定，不易因温度变化而出现问题。首先，有些产品的制造温度超过400度，因此高耐热性是一大特点。当安装在电动汽车中时，这种对温度变化的抵抗力是一个很大的优势，预计电动汽车将被用作应用。目前，电动汽车中安装的锂离子电池都配备了冷却装置以应对高温，但随着全固态电池的出现，这将不再是必要的，并且预计通过在汽车中安装更多的电池，行驶距离将相应增加。

　电动汽车普及的问题之一是充电需要时间。您可能已经体验过智能手机等熟悉的电子产品，在快速充电时，电流比平常大，这会导致电池发热并达到高温。随着温度升高，化学反应更容易进行并且充电进行，但对于LIB来说，也会促进电池中不应发生的副反应，导致电池劣化。全固态电池不易受到这种副反应的影响，并且耐高温，因此适合需要快速充电的应用，例如电动汽车。

固态造成的困难

固态电池的类型

虽然全固态电池有很多优点，但也存在一些问题。目前，有两种类型的材料有希望作为固体电解质：硫化物基和氧化物基。

类型	离子电导率	易燃	安全	易于操作	假定用途
硫化物基	高	高	△可能产生硫化氢	○可在200℃以下低温制造 △需要控制湿度	大容量（汽车等）
氧化物基	低	低	○高	△需高温烧成 ○可在正常环境下处理	小型设备等

硫化物和氧化物系统的问题

　硫化物和氧化物体系中最大的挑战是寻找具有高离子电导率的材料。一般来说，离子在固体中移动困难（离子电导率低），因此我们一直在寻找能让离子轻松移动的材料。

　另一个常见问题是难以维持电极中活性材料和电解质之间的结合。如果电解质是液体，那么它就是流体，因此即使活性材料的形状发生轻微变化，也不会出现间隙，并且会保持与活性材料的接触。然而，固体之间的情况并非如此。活性物质的膨胀和收缩可能导致界面（活性物质和电解质接触的表面）剥离，或者电极中可能出现裂纹。

因此，众所周知，如果用更强的力拧紧，硫化物基全固态电池会表现出更好的性能。即使您不再需要冷却装置，也没有必要添加重型部件来紧固和固定电池。寻找维持这种联系的方法是一项重大挑战。

　还有个人作业。对于硫化物系统，必须避免产生硫化氢的风险。对于未来预计将安装在电动汽车上的硫化物全固态电池来说，确保发生交通事故时的安全是一个紧迫的问题。

　另一方面，氧化物基全固态电池需要在高温下烧制以粘合活性材料和电解质。因此，还要求活性材料和电解质不会因热而发生反应或分解。

AIST 的举措和前景

　AIST 正在进行各种旨在解决这些问题的研究，从材料的探索到大规模生产技术的研究。

硫化物基全固态电池是最接近实际应用的。我们正在寻找更好的用于电动汽车的材料。目前，为了制造即使发生交通事故也能安全的电池，我们正在开发不易产生硫化氢且具有高离子电导率的固体电解质材料。

　为了在电动汽车中使用全固态电池，电池的大规模生产至关重要。目前，锂离子电池是通过堆叠片状正极和负极来制造的，但如果能够以同样的方式制造全固态电池，则可以实现大规模生产。产业技术研究院正在开展研究，以解决将全固态电池的电极制成片状时出现的问题。重要的是寻找可以在现实生活中使用的问题。

　AIST认为，对当前下一阶段的评估也具有重要作用。

　我们将通过对全固态电池（全电池）进行评估，具体指出迄今为止尚未发现的性能和问题，以扩大可能性，全固态电池（全电池）与实际电池一样由正极和负极组成，而不是作为材料或仅评估一个电极（正极或负极）。

　另一方面，氧化物基材料的离子电导率可能比硫化物基材料低，因此对离子电导率稍高的材料的研究仍在继续。

　氧化物基材料的一个重要条件是它们不会因热而变化。氧化物基材料通常很硬，因此为了粘合活性材料和电解质并形成界面，必须使用陶瓷技术在高温下对其进行烧结。因此，我们正在寻找即使在烧结时也不会发生反应的活性材料和电解质的组合。我们还在开发即使在低温或室温下也可以粘合界面的技术，在这种情况下它们不会与电极发生反应。

大尺寸的烧结也很困难。候选材料仍然只有少数，而且由于可用材料的数量有限，我们正在进行反复试验，以找到安装在汽车上时能够提高能量密度、延长使用寿命并增加行驶里程的组合。

全固态电池能否成为支撑产业的基石？

实际应用对日本工业的影响

　如果全固态电池投入实用并普及，会对日本产业产生怎样的影响？

　随着全球电动汽车开发竞争的加剧，日本必须跟上步伐并准备好制造和供应电动汽车的系统。这是因为全固态电池将成为支撑产业的基础技术之一。

此外，如果全固态电池充分延长电池寿命，我们可以预期在许多领域产生连锁反应。例如，在V to H（车辆到家庭）和V to G（车辆到电网）的概念中，电动汽车被用作家庭和城市的电源，其中一个瓶颈是电动汽车的反复充电和放电导致电池加速老化，但这有可能解决这一问题。全固态电池也不易燃，因此可以安装在无人机和未来飞行汽车等飞行器中。

　除了EV领域，还有IoT领域。特别是作为小型设备的电源，市场将会扩大，特别是在氧化物基全固态电池领域。

支持各个领域的进入并提供日本制造的产品

　对全固态电池感兴趣的不仅限于汽车制造商和电池制造商。材料、半导体、陶瓷等制造商众多。AIST正在积极与各公司协商如何利用其独特的优势和技术来开发固态电池，并根据需要进行合作。

　丰田汽车公司设定了2027年至2028年实现硫化物全固态电池商业化的目标。考虑到该公司的年产量为350万辆，假设电池在一条生产线上生产，则需要每十秒生产一颗电池。如果能够实现如此规模的生产并真正开始广泛使用，可以说会产生巨大的产业影响。

　氧化物材料的续航里程稍长，预计在2050年左右实现电动汽车的实用化。在推进已开始实用化的电子设备用小型电池的开发的同时，该公司预计将致力于汽车电池的开发，这是一项更为艰巨的任务。

　无论如何，产品的发布本身会带来进一步的开发和改进。虽然这是一个接近实际应用的产业，但也是一个仍需要研究和开发的领域。我们将与业界共同努力，为电池行业的未来做出贡献。