全固態(tài)鋰電池

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1、以固態(tài)電解質(zhì)取代傳統(tǒng)液體有機電解液的固態(tài)電池正吸引越來越多的關(guān)注。電動車（EV）和定置式蓄電用途的大型電池的應(yīng)用需求激增，可期待安全與長壽命的固態(tài)電池正在成為一個候選產(chǎn)品。在追求高容量化的新一代電池方面，固態(tài)電解質(zhì)扮演角色的重要性也在日益提高。但目前固態(tài)電解質(zhì)仍然存有不少問題。本文追尋著開發(fā)全固態(tài)電池的企業(yè)、大學(xué)和研究機構(gòu)的腳步，探索固態(tài)電池通向?qū)嵱没?。“只用固體材料即可實現(xiàn)電池功能的認識終于被人們普遍接受”日本東京工業(yè)大學(xué)研究生院綜合理工學(xué)研究科物質(zhì)電子化學(xué)專業(yè)教授菅野了次感慨道。采用固態(tài)電解質(zhì)的的大容量新一代電

2、池，即所謂“全固態(tài)電池”近來開始受到矚目。這是由于其在能量密度提高的同時，還可望確保安全性和實現(xiàn)長壽命化（圖1）。1電動車和定置式用大型鋰離子充電電池而言，保證安全是最重要的。并且，希望長壽命化的呼聲也很高，許多電池使用者希望“鋰離子充電電池采用固體電解質(zhì)”。而在便攜設(shè)備市場上，業(yè)者們似在考慮使用固態(tài)電解質(zhì)來開發(fā)能量密度超過300Wh/kg的后鋰離子充電電池。采用有機電解液的傳統(tǒng)鋰離子充電電池，因有過度充電、內(nèi)部短路等異常時可能導(dǎo)致電解液發(fā)熱，有自燃或甚至爆炸的危險。而將有機電解液代之以固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)電池，其安全性

3、可大幅提高。并且，因在理想狀態(tài)下，固態(tài)時鋰的擴散速度（離子傳導(dǎo)率）較液體電解液時高，理論上認為其可實現(xiàn)更高的輸出。并且，固態(tài)電池包括其制造方式在內(nèi)，可能會實現(xiàn)突破現(xiàn)有電池概念的特性。例如，因不必封入液體，則電池外裝可以簡化，從而能以卷對卷（roll-to-roll）方式制造大面積單元。進一步，還可將數(shù)層電極層積，并在單元內(nèi)串聯(lián)，制作12V或24V的大電壓單元等，使此前不可能的電池得以實現(xiàn)。實際上，電池相關(guān)學(xué)會也稱，近年來關(guān)于固態(tài)電池的論文數(shù)目在增加。其中最有興趣的積極參與者是豐田汽車公司。近1、2年，其以將來適用于車載

4、的電池為目標的論文大幅增加。對固態(tài)電池抱有強烈興趣的，并非只有豐田公司一家。出光興產(chǎn)（IdemitsuKosan）在展示會上以2012年實用化為目標，展示了約A6大小的固態(tài)電池，日本中央電力研究所（CentralResearchInstituteofElectricPowerIndustry，CRIEPI）則在開發(fā)以住宅儲能為目的的固態(tài)電池。并且，電池制造廠商也加入這股熱潮：日本三星橫濱研究院（SamsungYokohamaResearchInstitute）與韓國的三星電子已經(jīng)開發(fā)出一種充放電周期壽命和輸出特性都接近

5、商業(yè)水準的固態(tài)電池。從電池的制造方到利用方的許多企業(yè)都在致力于固體電池的開發(fā)。固態(tài)電池的開發(fā)并非始于今日。迄今已有過許多小型固態(tài)電池的試制品，并已在心臟起搏器（pacemaker）上實現(xiàn)了商業(yè)化。只是此前的開發(fā)一直以非常小的薄型電池為中心。然而，近來車載及定置蓄電用途采用固體大型電池的可能性一直在提高。所有這一切的背景是，電動車和定置式蓄電用大型電池，而非迄今為止的主流——便攜設(shè)備用的小型電池的需求激增，因此要求電池特性的改變，使得研發(fā)方向發(fā)生重大改變。特別是對電池的安全性與使用壽命，有比現(xiàn)有的鋰離子充電電池更加嚴格的

6、要求。其中，安全性自不待言，固態(tài)電池有明顯優(yōu)勢；而在延長使用壽命方面，“固態(tài)電池的周期壽命特性原本就優(yōu)異”，日本大坂府立大學(xué)（OsakaPrefectureUniversity）研究生院工學(xué)研究科教授辰巳砂昌弘說道。除了比目前的鋰離子充電電池更安全與使用壽命更長，提高能量密度也是固態(tài)電池的一個開發(fā)主題。使固態(tài)電池具有可增加能量密度特征的理由之一是固體電解質(zhì)電位窗（potentialwindow*）的寬廣度。而傳統(tǒng)的有機電解液，當電池電壓接近4V時電解液就開始分解，因此很難提高電池的電壓上限。*電位窗（Potential

7、window）：由溶劑和鹽組成的電解液不出現(xiàn)氧化還原反應(yīng)的電壓范圍。取決于溶劑、鹽與電極材料。目前，為提高容量，鋰離子充電電池的負極正準備變更為電流容能高的硅等材料（注1）。與負極相應(yīng)的高容量正極材料雖同樣重要，但尚未發(fā)現(xiàn)有望支持更高電流容量的正極材料。因此，在正極材料方面，將利用電流容量不變，而以高電壓來增加能量密度的所謂“5V”正極材料作為了目標。注1：日立麥克賽爾（HitachiMaxell），2010年6月推出智能手機用硅基負極鋰離子充電電池。此外，松下公司則表明將在2012年度開始量產(chǎn)這種電池。但即使采用5V

8、電壓型正極材料，傳統(tǒng)的有機電解液還是會分解，電池的電壓還是不能提高。而使用具有更寬廣電位窗的固態(tài)電解質(zhì)，便可令5V正極成為可行的解答（注2）。注2：因固態(tài)電解質(zhì)是固體，當電極材料與電解質(zhì)間的界面發(fā)生反應(yīng)時，其進一步反應(yīng)難以進行，比有機電解液難分解，因而電位窗高。并且，固態(tài)電解質(zhì)對作為鋰聚合物充電電池而受到關(guān)注的硫化鋰（Li-S）*