電動(dòng)車和使用天然能源發(fā)電儲(chǔ)能所不可缺的下一代電池的開發(fā)已經(jīng)非常盛行。即從成本和性能等方面超過(guò)傳統(tǒng)鋰離子電池的超級(jí)材料已經(jīng)出現(xiàn)。許多國(guó)家已經(jīng)開始了禁售汽油車的討論，特別是對(duì)于電動(dòng)車電源的關(guān)注度尤為集中。本文對(duì)電池的革命性突破的原動(dòng)力，即最近注目相關(guān)新技術(shù)的動(dòng)向進(jìn)行了追蹤報(bào)道。

旭化成的名譽(yù)技術(shù)總監(jiān)(fellow) 吉野彰先生認(rèn)為：新一代的電池，最接近實(shí)用性的是全固態(tài)電池。作為鋰離子電池之父(注：與發(fā)明鈷酸鋰的Goodenough齊名，著名的鋰離子電解液的發(fā)明者)，也就是諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)候補(bǔ)之一。他認(rèn)為全固態(tài)電池有希望是非常有意義的。

全固態(tài)類型、EV 的原動(dòng)力

電池是由正極和負(fù)極以及隔在二者之間作為鋰離子輸運(yùn)通道的電解質(zhì)所組成。目前的鋰離子電池使用極其易燃的有機(jī)溶劑作為電解質(zhì)的溶液。全固態(tài)電池使用難燃的固態(tài)電解質(zhì)取代有機(jī)溶劑型電解液，安全性將會(huì)大大提高。

以2011年?yáng)|工大的菅野了次教授等人與豐田汽車等共同開發(fā)了新的固態(tài)電解質(zhì)為契機(jī)，全固態(tài)電池開始得到人們的關(guān)注。鋰離子極其容易通過(guò)固體電解質(zhì)層，離子電導(dǎo)率甚至超過(guò)了傳統(tǒng)電解液的水準(zhǔn)。

如果離子傳導(dǎo)率高，電池的輸出功率將會(huì)增加。把它安裝在電動(dòng)汽車上，需要很大電池功率才能達(dá)到的快速啟動(dòng)和加速等行駛性能不足就會(huì)得到很大的改善。

東工大等研究團(tuán)隊(duì)正在通過(guò)改變?cè)胤N類等來(lái)繼續(xù)推進(jìn)材料改良。2016年，這種固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率達(dá)到了有機(jī)電解液的2倍以上，電池的功率密度達(dá)到3倍以上。實(shí)驗(yàn)室試作的這種固態(tài)電池電池經(jīng)過(guò)反復(fù)充放電1000 次，容量也幾乎沒(méi)有衰減，達(dá)到長(zhǎng)壽命電池的要求特性。

快速充電也變得可能。然而，和傳統(tǒng)的鋰電池一樣在快速充電時(shí)也會(huì)在內(nèi)部形成枝晶等問(wèn)題，從而導(dǎo)致內(nèi)部短路的隱患。如果這個(gè)問(wèn)題得到解決，幾分鐘內(nèi)快充的問(wèn)題也就可以解決了。

當(dāng)前的固態(tài)電解質(zhì)因?yàn)楹颍c空氣中的水分接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生硫化氫氣體。實(shí)驗(yàn)室需要有特殊的手套箱，在密封裝置內(nèi)進(jìn)行操作，外部的空氣不得進(jìn)入手套箱內(nèi)。從材料的合成到電池的組裝都需要在這種特殊條件下操作，這個(gè)問(wèn)題一直到大規(guī)模量產(chǎn)都是技術(shù)壁壘需要解決。(豐田-三井團(tuán)隊(duì)早在兩年前完成量產(chǎn)工藝，只是不能公開)

固態(tài)電池的核心技術(shù)是電解質(zhì)，即提高電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。“如果離子電導(dǎo)率是普通電解液的10倍，固態(tài)電池的一切問(wèn)題就迎刃而解了。”吉野名譽(yù)總監(jiān)如是說(shuō)。

菅野教授等人在17 年開發(fā)了一種不含稀有金屬元素的固態(tài)電解質(zhì)，雖然電導(dǎo)率下降到與傳統(tǒng)電解液幾乎相當(dāng)?shù)乃?，但是成本降低?/3。如果還想在抑制硫化氫氣體產(chǎn)生進(jìn)行改善、還需要繼續(xù)提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率等性能。(注：這也是菅野教授團(tuán)隊(duì)的苦惱之處，它們實(shí)驗(yàn)室合成的不含Ge 的硫化物電解質(zhì)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及三井團(tuán)隊(duì)的已經(jīng)規(guī)模化量產(chǎn)的電解質(zhì)，豐田已經(jīng)基本終止了項(xiàng)目資助)

決定電池容量的電極的選擇也是很難的。菅野教授說(shuō)：“很多研究團(tuán)隊(duì)正在尋找適用于電極的材料(與電解質(zhì)匹配的)。”

日本國(guó)立物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)的副所長(zhǎng)高田和典(注：我的學(xué)弟，許曉雄博士后的指導(dǎo)老師)等人開發(fā)了一種新的負(fù)極材料體系，該負(fù)極材料主要是硅，其負(fù)極的容量可以提高到現(xiàn)有鋰離子電池的10 倍左右。整個(gè)電池的容量預(yù)計(jì)可以提高50%左右。硅通過(guò)部分氧化結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)，可硅均勻地膨脹收縮，從來(lái)硅電極的崩壞問(wèn)題可以得到有效地解決。

高田副所長(zhǎng)說(shuō)：“雖然原理可以驗(yàn)證，但是有必要開發(fā)適合大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)。” 目前存在著將硅薄膜附著到基板上的步驟比較復(fù)雜等問(wèn)題。

豐田計(jì)劃在2020 年代前半實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化。如果到2020 年中期能夠完成技術(shù)上的挑戰(zhàn)，那么在2030年左右，EV 中搭載固態(tài)電池將不再是夢(mèng)。當(dāng)然，全面超越現(xiàn)有鋰離子電池是固態(tài)電池推廣的最為關(guān)鍵的因素。

打破壁壘 高濃度電解液

鋰離子電池是由索尼、旭化成等公司于1991 年首次實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。隨著后續(xù)的改進(jìn)，雖然性能得到逐步提高，但已經(jīng)接近技術(shù)上限。目前，能夠打破這一壁壘的技術(shù)，寄希望于與固態(tài)電解質(zhì)性質(zhì)相近的高濃度電解液。再通過(guò)改進(jìn)與之配套的電極材料等，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高鋰離子電池的性能。

橫濱國(guó)立大學(xué)渡邊正義教授認(rèn)為：“通過(guò)使電解液變濃，就會(huì)變成接近固體的性質(zhì)。”它像固體一樣不揮發(fā)，同時(shí)具有不易燃燒的特征，這不正是我們希望得到的高安全電池嗎?渡邊教授等人開發(fā)成功了相當(dāng)于目前電解液濃度約3倍的高濃度電解液。

通常的電解液中，僅一部分的有機(jī)溶劑的分子與鋰離子結(jié)合。未結(jié)合的自由的分子能夠離開電解液，游離揮發(fā)出來(lái)。在反復(fù)進(jìn)行充電和放電過(guò)程中容易分解，成為電解液、電極等的劣化的主要原因。引人注目的是被稱作“聚醚類”的有機(jī)溶劑，它有將鋰離子包圍在中間的性質(zhì)。通過(guò)混合比例上下功夫，發(fā)現(xiàn)了各種分子形態(tài)的聚醚幾乎全部能與鋰離子結(jié)合。這種電解液可以有效地防止電極等的劣化，開發(fā)出長(zhǎng)壽命的電池。

東京大學(xué)的山田淳夫教授等人在2014 年使用高濃度電解液，將電池的充電時(shí)間降到通常鋰離子電池的1/3已取得了成功。山田教授說(shuō)：“在以往的常識(shí)中如果達(dá)到高濃度的話，電池反應(yīng)速度會(huì)變慢，高濃度電解液被認(rèn)為不適合于鋰離子電池。