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”，它具有与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，以及实现实用化的课题等。
- 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？
顾名思义，全固态电池是指构成电池的全部部件均为“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）基本上由金属材料的两个电极（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材料，而全固态电池的电解质使用固体材料。
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，使电解质成为固体后，还具有比锂离子电池安全的优点，装载于电动汽车等用途也备受关注。
全固态电池如果能够实用化，将具备多种优点。现在，各家公司正在开展激烈的产品开发和量产化，以期实现大量供应。
2. 全固态电池的工作原理是什么？
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基本相同。使用金属作为电极材料，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，全固态电池的电解质为固体。此外，如果电解质是液体，则有隔开正极和负极的隔膜，以防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，则不需要隔膜。
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。而当固体材料被发现后，全固态电池的开发便日益活跃。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. 全固态电池的种类有哪些？
全固态电池按其制造方式分为“堆积型”和“薄膜型”两大类，能储存的能量大小也不同。
堆积型全固态电池的特点
电极和电解质使用粉体（粉末和粒子等集聚的物质）材料。可以制作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设备。
薄膜型全固态电池的特点
以真空状态在电极上堆积薄膜状电解质，以此方式制造的电池。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。因其小型的特点，适合用于传感器等小型设备。
4. 与锂离子电池的区别是什么？介绍全固态电池的优点
作为下一代二次电池备受关注的全固态电池有以下所示的多种优点。
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），因此在高温环境下使用存在隐患。而全固态电池的电解质不使用可燃性材料，因此在更高温度下也可使用。
此外，采用液体电解质时，低温会导致离子移动迟缓，造成电池性能下降及电压降低。而固态电解质即使处于低温环境也不会像液体那样冻结，因此内部电阻不会显著上升，电池性能衰退幅度较小。
可以迅速充电
耐受高温的优点在迅速充电时也很有利。越是迅速充电，电池的温度越高，耐受高温的全固态电池能比现在的锂离子电池更迅速地充电。
寿命长
电池的寿命因电解质的性质而异。因为锂离子电池不采用其他二次电池似的电池反应机制，所以电极老化程度低，寿命长，但是长期使用时还是会出现电解质老化的现象。在这一点上，因为全固态电池的电解质比液体的老化程度更低，所以可进一步延长寿命。
形状的灵活度高
液体电解质在结构上有限制，以防液体漏出。而全固态电池因为没有这种限制，因此更易于实现小型化、薄型化，还可通过堆叠或弯曲方式使用，从而适应多种形态需求。
5. 全固态电池的用途有哪些？
全固态电池的另一个备受期待的用途是电动汽车。当前电动汽车虽采用锂离子电池，但若使用全固态电池，因其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，现在的电动汽车与燃油车相比，充电耗时较长，如果使用全固态电池，则能更迅速地充电。
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耐受高温性差的缺陷。利用其耐热的特点，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传感器等领域。如果用于电脑和智能手机等设备上，有望实现更持久的大功率运行。
而且，与锂离子电池相比，因为可以实现更大容量、更大功率，不光有望应用于飞机和船舶等领域，而且因为能适应从高温至低温的温度变化，还有望应用于在宇宙空间所用的设备等领域。
6. 全固态电池的安全性有哪些？
因为锂离子电池将易于汽化的有机溶剂用作为电解质，因此在高温环境下存在安全隐患。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由固体隔开，因此不易发生短路，并因为使用耐热性高的电解质，因此可以在更高温度下使用。虽说如此，因为电池本质上均是“能量罐”，因此全固态电池的安全也并非万无一失。可能会因某种原因，电极发生短路，因此使用操作时仍需小心谨慎。
7. 实现全固态电池实用化的课题是什么？
现在正以在2020年代前半期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。而为了实现实用化，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，电极和电解质需保持持续紧密接触。因为液体电解质的形状灵活可变，所以即使电极有些许变化也能一直保持紧密接触。而固体介质间要实现持续紧密接触存在技术难度。
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、体积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分为氧化物系、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不耐水的性质，甚至碰上空气中的水分也会变质。因此，全固态电池的生产要求严格的水分管理，需要干燥室等专门的设备。
综上所述，作为有望增强锂离子电池性能的下一代技术，全固态电池正获得多家企业的实用化推进。另一方面，锂离子电池也在范围宽广的领域大显身手。在下一讲的第五讲中，将谈谈锂离子电池在实现可持续发展社会中的重要作用。
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