日本大阪公立大学研究人员谈电动汽车及全固态电池技术

支撑纯电动汽车（EV）、智能手机和笔记本电脑等数码设备普及的是大容量电池。但是，目前广泛使用的锂离子充电电池也被指存在安全方面的风险，还面临大容量化和长寿命化等课题。日本大阪公立大学研究生院工学研究科准教授作田敦在“日经XTECHLearning”中开设了“从全固态锂离子电池到全固态锂硫磺电池的解说”讲座，表示“作为新一代电池备受瞩目的是不含电解液的全固态电池”。关于全固态电池开发的基础知识、课题和所处阶段，采访了作田敦准教授。

记者：什么是“全固态电池”？

作田敦：全部由固体构成的电池。无论是全固态电池，还是一般用作智能手机电池等的锂(Li)离子电池(LIB)，相同的是放电时内部的离子移动到正极，充电时移动到负极，借此产生电流。全固体电池不管是正极、负极，还是正极和负极之间的电解质均为固体。相比之下，目前广泛使用的锂离子电池的正极和负极的材料均为固体，而介于两者之间的电解质则是液体电解液。

使用寿命长，易于快速充电

记者：为什么全固态电池备受关注？

作田敦：因为这是成为普及纯电动汽车（EV）关键的技术。与目前作为EV充电电池使用的锂离子电池相比，全固态电池具有寿命更长、耐高温特性优异、安全性高、同时能提高输出功率等优点。

如果拥有这些优点的全固态电池能够实用化，并作为充电电池使用，能够解决EV所面临的诸多课题。正因为如此，目前几乎所有的汽车厂商和电池制造商都在研究和开发全固态电池。

例如，能稳定长期使用这一点与EV本身的寿命直接相关。如果充电电池无法继续使用，汽车就将无法行驶。即使能够使用，如劣化导致性能下降，充满电能行驶的续航里程也将缩短。与汽油车相比，续航里程短已成为EV普及的瓶颈，如果存在寿命短、同时充电电池的劣化导致续航里程缩短的隐忧，那么EV的购买意愿被削弱也就不足为奇了。

从锂离子电池来看，在锂离子移动时，其他离子和溶剂也会移动，因此用于电解质层的电解液会逐渐劣化。与之相对，在全固态电池上，只有锂离子在电解质层中移动，因此不容易劣化，寿命相对较长。

此外，全固态电池已被确认在目前的锂离子电池难以工作的60℃以上环境中也基本不会劣化。这个特点也很重要。因为这意味着应用于EV之际，与锂离子电池相比，更容易实现快速充电。

锂离子电池的耐热性较差，在60℃以上的高温下会劣化。如果快速充电，会产生60℃以上的高温，劣化将加剧，因此控制了充电速度。如果充满电需要1小时，与只需几分钟即可将油箱装满的汽油车相比，在便利性方面相形见绌。如果为了节省时间而不充满电，行驶的距离就会缩短。假如搭载全固态电池，这种便利性的劣势就将得到大幅改善。

起火的危险性低，安全方面更可靠

电解液变成固体可以提高安全性。尽管现在的锂离子电池并不是很危险，但是偶尔会发生起火事故。这是因为电解液中使用了可燃性的有机溶剂。因在制造过程中异物混入电解质层等原因，有引发内部短路、因热失控而起火的危险性。实际上，因锂离子电池起火导致的EV起火的事故也有报道。

全固态电池通过使用不易燃的电解质，可以避免起火的危险。锂离子电池也很少发生火灾，实际上在日本并未出现锂离子电池起火导致的EV起火。但即使1亿辆汽车中有一辆发生起火事例，也将严重损害可靠性。这一点也是全固态电池的实用化受到期待的重要原因。

记者：输出功率是否也会超过锂离子电池？

作田敦：在研究层面，已经有了输出功率比锂离子电池更高的全固态电池。而且在高温下可以获得数倍的输出功率。如前所述，这是在高温下会劣化的锂离子电池所没有的优势。

最大的课题是构建量产体制

记者：为了实现实用化，都面临哪些课题？

作田敦：最大的课题就是能否量产。与锂离子电池相比，量产工艺存在各种课题。

首先，电解质层的成形需要高压压力。锂离子电池是在开孔的聚合物膜上浇注电解液以制造电解质层。另一方面，全固态电池一般采用的硫化物固态电解质每1平方厘米需要用1t左右的压力压固。如果是10平方厘米，就需要10t的压力。

这种高压压力考验技术实力，并且也需要压力设备，还需要很多工时。制造每年供几十万辆EV使用的全固态电池并不容易。

原材料成本比采用廉价电解液的锂离子电池高，也是量产时需要考虑的问题。希望固态电池的寿命超过现有锂离子电池的性能。在量产大尺寸全固态电池时，这一点需要充分考虑。

记者：那么，配备全固态电池的EV距离实用化还很遥远吗？

作田敦：现在已经到了实际配备全固态电池的EV试行驶的阶段。3年后或许实现生产10辆及100辆左右。但要达到能量产的体制，能面向大众销售的水平，还不好说需要多长时间。

面向EV量产能确保充足续航距离的大尺寸全固态电池还需要时间。即使解决了技术性课题，也要首先小规模制造，进行行驶测试，找出缺陷等，然后构建量产体制。也有调查结果显示，到2035年左右可以形成1～2万亿日元规模的市场。即便如此，最初肯定先从高端车开始配备。

也面临材料课题。比如，电解质采用的硫化物类材料一接触空气就会劣化，或者产生硫化氢。

有时即使在研究室的干燥室能够制造，但以工厂的湿度也有无法制造足够品质电解质层的事情。目前在推进开发即使湿度并不完全受到控制的工厂，也可以生产的技术。

不过，虽说需要时间，但技术却在稳步进步。另外，扩大EV市场需要全固态电池实用化。现在，不能抛开EV考虑制造业。要想更加准确地捕捉EV市场的动向，需要关注全固态电池的开发情况。

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