蓄电池
改变我们生活的锂离子电池
第四讲 什么是全固态电池？专家为我们讲解基础知识、与传统电池的区别和实用化的可能性
本企划在东京工业大学特命教授菅野了次先生的监修下，分五讲介绍锂离子电池的特点、历史和今后的可能性。在第四讲中将聚焦于被称为“下一代电池”的“全固态电池”，它具有锂离子电池相似的特点，我们将谈谈它与现在的锂离子电池的区别、所设想的用途和走向实用化的课题等。
- 同时阅读：第三讲 获得诺贝尔奖！锂离子电池的普及史
监修人：菅野了次
东京工业大学 科学技术创成研究院 特命教授（名誉教授）
1980年大阪大学研究生院理学研究科无机及物理化学专业课程结业。1985年成为理学博士。任神户大学理学部副教授后，2001年任东京工业大学研究生院综合理工学研究科教授，2016年任该大学物质理工学院教授，2018年任该大学科学技术创成研究院教授、全固态电池研究组组长，2021年任该科学技术创成研究院特命教授、全固态电池研究中心主任。
INDEX
1. 什么是全固态电池？
如其名所示，全固态电池是构成电池的所有部件均是“固态”的电池。锂离子电池等二次电池（可以充电、反复使用的电池）基本上由以金属为材料的两个电极（正极和负极）以及充满其间的电解质构成。传统二次电池的电解质使用液体，而全固态电池的电解质使用固体。
电解质成为固体后，可望推出容量比锂离子电池大、高功率的电池。另外，通过使电解质成为固体后，还具有比锂离子电池安全的优点，装载于电动汽车等的可能性也引人注目。
全固态电池如果能够实用化，将具备各种优点。现在，各家公司正在为大量供应进行产品开发和量产化而互相激烈竞争。
2. 全固态电池的工作原理
有关从电池取出电能的工作原理，全固态电池与锂离子电池几乎相同。金属被用作为电极材料，离子通过电解质在正负极之间移动，从而产生电的流动。两者之间的主要区别在于电解质是否固体。如果电解质是液体，则有隔开正极和负极的隔膜，防止正极侧的液体和负极侧的液体急剧混合，而如是固态电解质，就不需要隔膜。
全固态电池研究的关键在于找到和开发固体材料。以前，没有找到离子能在内部移动，使足够的电向电极流动的固体材料，找到后全固态电池的开发日益活跃。通过将电解质从液体变为固体，离子在电池内频繁移动，可以实现比锂离子电池容量大、功率高的电池。
3. 全固态电池的种类
全固态电池按其制造方式被分类为“堆积型”和“薄膜型”两大类，能储存的能量的量不同。
| 种类 | 特点 | 所设想的用途 |
|---|---|---|
| 堆积型 | 能储存的能量的量多。 | 电动汽车的电池等 |
| 薄膜型 | 能储存的能量的量少，但耐用。 | IoT设备等 |
堆积型全固态电池的特点
粉体（粉和粒子等集聚的物质）被用作为电极和电解质的材料。可以制作能储存更多能量的大容量电池。设想主要用于电动汽车等大型物体。
薄膜型全固态电池的特点
是以在真空状态下在电极上堆积薄膜状电解质的方式制造的电池。能储存的能量少，无法输出大容量。但有循环寿命长、易于制造等优点。因是小型，所以适合用于传感器等小型设备。
4. 与锂离子电池的区别，全固态电池的优点
作为下一代二次电池得到期待的全固态电池有以下所示的各种优点。
能耐低温至高温
因为锂离子电池的电解质使用可燃性有机溶剂（溶化不溶于水的物质的液体），所以担心在高温环境下的使用。而全固态电池的电解质不使用可燃性材料，所以在更高温度下也可使用。
而且，在低温下液体电解质中有时离子移动会变得迟钝，电池性能会下降，电压也会下降。而低温下固体电解质也不会像液体般地结冻，所以内部的电阻并不怎么上升，电池性能也并不怎么下降。
可以快速充电
耐高温的优点在快速充电时也很有利。越是快速充电，电池的温度越高，耐高温的全固态电池能比现在的锂离子电池更快速地充电。
寿命长
电池的寿命因电解质的性质而异。因为锂离子电池不利用其他二次电池似的电池反应，所以电极老化少，寿命长，但是长期使用时还是可见电解质的老化。在这一点上，因为全固态电池的电解质比液体的老化更少，所以可进一步延长寿命。
形状的自由度高
为了防止液体漏出，液体电解质在结构上有限制，而全固态电池因为没有这种限制，所以易于小型化、薄型化，还可叠合、折弯使用，可以各种形状使用。
5. 全固态电池的用途
全固态电池的另一个备受期待的用途是电动汽车。现在，锂离子电池被用于电动汽车，如果使用全固态电池，则因为不含可燃性有机溶剂，所以可望降低由事故引起的起火等风险。另外，现在的电动汽车与加汽油相比，充电较花时间，如果使用全固态电池，则能更快速地充电。
另外，积极推进全固态电池实用化的原因之一是可以弥补锂离子电池具有的不耐高温的弱点。如果利用耐热的特点，便可以直接焊接在电子基板上，所以设想可用于电子设备的备份电源和IoT传感器等。如果用于电脑和智能手机等，便可实现更长时间、更有力地工作。
而且，与锂离子电池相比，因为可以实现更大容量、更大功率，所以可望用于飞机和船舶等，而且因为能适应从高温至低温的温度变化，所以还可望用于在宇宙空间所用的设备等。
6. 全固态电池的安全性
因为锂离子电池将易于汽化的有机溶剂用作为电解质，所以人们担心在高温环境下的使用。另外，使用液体电解质时，为了不造成正极和负极因冲击而直接接触的状态（短路），需使用将正极和负极隔开的隔膜等。
因为全固态电池的电极被固体隔开，所以不易发生短路，并因为使用耐热性高的电解质，所以可以在更高温度下使用。虽说如此，因为电池均是“能源罐头”，所以全固态电池也有风险。可能会因某种原因，电极发生短路，所以使用操作时需要小心谨慎。
7. 走向全固态电池实用化的课题
现在正以在2020年代上半叶实现全固态电池的实用化为目标，研发更高性能的固态电解质材料。而为了实用化，需要解决以下所示的课题。
固态电解质的课题
为了让电池发挥高性能，电极和电解质需要始终靠紧。因为液体电解质的形状始终可变，所以即使电极有些许变化也能一直靠紧。而固体之间难以始终靠紧，这是一个课题。
电极物质的课题
与现有的锂离子电池相比，要大幅提高全固态电池的能量密度，需要开发在相同重量、大小下能储存更多电力的电极。
制造工艺的课题
因为电解质从液体变为固体，所以需要与锂离子电池不同的制造工艺。例如全固态电池根据材料有氧化物系、硫化物系、氮化物系等，主流之一的硫化物系全固态电池所用的固态电解质具有即使碰上空气中的水分也会变质的不耐水的性质。所以，要求严格的水分管理的全固态电池生产需要干燥室等专用设备。
如上所述，对于作为能进一步提高锂离子电池性能的电池得到期待的全固态电池，现在正在各家企业中开展走向实用化的举措。另一方面，锂离子电池也在范围广泛的领域大显身手。在下一讲的第五讲中，将谈谈锂离子电池为实现可持续发展社会发挥什么作用。
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