日本开发新型固体电池材料，防止供应风险

商界观察

2023-08-10

日本大阪公立大学开发了一种新材料，用于制造全固态电池的固态电解质。在不使用资源分布不均的稀有金属鲟的前提下，它实现了纯电动汽车。（EV）所需的部分性能。在全固态电池投入实用进入倒计时的背景下，新材料的研发探索取得了进展，经济安全得到了保障。

电池的性能基本上取决于电极材料和电解质。全固体电池用固体电解质代替普通锂电池的有机溶剂电解液。由于有机溶剂易燃，如果将电解质改为固体，可以降低电池的火灾风险，提高安全性。

同时，全固态电池也可以在高温下工作，所以不需要冷却装置。估计目前锂电池的能量密度(单位体积储存的能量)会达到2。～3倍。

一些汽车公司提出了在20世纪20年代后半段实现全固态电池产品化的目标。虽然目前还没有公布详细的开发情况，但预计投入实用的全固态电池在极端温度下的工作和快速充电性能将超过锂电池。

自2010年代东京工业大学特聘教授菅野和丰田发布新电解质以来，人们对全固态电池的期望也随之上升。固态电解质由含硅材料组成，体现电池性能的离子电导率指标高于液态电解质。

中国占全球总产量的6。～70%。从2023年8月开始，中国将实行出口管制。此外，浣熊还被用来制造太阳能电池和光纤，这是一个普遍的需求。如果全固态电池想要普及，就需要找到浣熊的替代材料。传统锂电池已经存在锂等资源风险，相同的资源风险将加入到整个固态电池中。

大阪公立大学的林晃敏教授和其他人利用锂、磷和硫的化合物制造了不含硫的固体电解质，并将电解质的离子电导率提高到了制造纯电动汽车所需的水平。

虽然以前用同样的材料研制过固体电解质，但是这项研究改进了晶体结构，使其电导率提高到以前的一万倍。另外，此前也有报道称，固态电解质已经达到了纯电动汽车的水平，但是这项研究采用了更稳定的材料，更容易制造。另外，在这项研究中，硫、磷等相对低成本原料的使用比例非常高，材料成本也可以降低。林教授说：“我们生产廉价、高性能、高耐久性的固体电解质”。

东京工业大学特聘教授菅野研发固体电解质的先驱，也提出了很多改用锡和硅的电解质报告，正在探索不使用稀有金属等昂贵材料的生产方法。

使用寿命是整个固体电池投入实用性的主要问题。随着反复充放电，电极材料会膨胀收缩，导致固体电解质与电极的后续点分离，使离子难以移动。现有的锂离子车载电池可以承受1000多次充放电，但目前整个固体电池的使用寿命只有几十到几百次。

金村圣志，东京都立大学名誉教授，专注于“软电解质”的研究。它是一种不易破裂的电解材料，能吸收电极材料的膨胀或收缩等变化，使电解材料与电极之间不易产生间隙。这种材料由硼、碳、锂等元素组成，不含其他稀有金属，如钒。在反复充放电200次左右后，金村名誉教授试制的直径为1.4厘米的硬币大小的电池电量基本没有下降。

虽然在研究阶段尝试使用各种新材料，但大多数设备在充放电几十次后无法维持其性能。金村名誉教授强调，“这种新材料是一种潜在的替代材料”。

东京农业工业大学名誉教授直井胜彦和岩间悦郎副教授的研究团队也报告了新材料。据说它是由容易通过离子的分子组成的软物质。即使充放电100次，性能仍然可以保持90%以上。

未来全球固态电池市场将持续扩大，富士经济预测到2040年将达到3.8605万亿日元。

其它海外企业也提出了全固态电池投入实用的政策。尤其引人注目的是韩国公司。三星SDI和SK在韩国 On在2027年也是为了和丰田一样。～在2028年左右，电池开发和实验工厂建设正在加快。在韩国，东京工业大学特别聘请的副教授，他说，韩国发表了很多优秀的论文，在基础研究方面非常活跃。德国宝马在欧美企业中（BMW）计划在2025年生产配备全固态电池的样车。

日本一直在全固态电池的基础研究中领先世界。为了防止在锂电池和太阳能电池领域重复未能赢得市场的覆辙，有必要通过产学合作加快技术转移，提高生产技术。