新一代电池“全固态电池”开发竞争最前线

开发安全高性能的电解质，开拓通向实用化的道路

1991年，锂离子电池在世界上首次实现商品化。当前，无论是用于EV（电动汽车）、PHEV（插电式混合动力车）、HV（混合动力车）的车载锂离子电池还是用于日常生活中的普通锂离子电池，都在全球电池市场中占据主导地位。

锂电池于2009年左右得到正式普及，自此，创新型新一代电池开发的竞争也拉开了帷幕。在后锂离子电池时代，全固态电池有望占据主导地位。

其中，全固态电池使用固态无机化合物作为电解质。对于在陶瓷领域拥有独特技术的日本特殊陶业株式会社来说，这是充分利用其至今为止积累的技术优势的大好机会。全固态电池预计在2020年前半期投入市场。

本期内容为日本特殊陶业株式会社的三位技术开发成员对本公司开发项目现状的介绍。

技术开发成员

狮子原：2009年开发项目成立时的首批成员，担任小组组长，负责从电解质、电极材料的开发到电池设计的整个流程。竹内：陶瓷材料开发方面的专家，负责非烧结型固态电解质的开发。和田口：年龄最小的成员，负责充分利用电池设计方面的专业知识以设计全固态电池。

采用固体氧化物作为电解质，

参与新一代电池的开发竞赛。

（图片来自日本特殊陶业官网）

新一代电池的性能将进一步提高，具有安全、容量大、输出高，且更小型、更轻量化等优点。

现有的锂离子电池使用液态有机溶剂作为电解质，而全固态电池则使用无机固体电解质。全固态电池使用化学性质稳定的固体陶瓷作为电解质，因此与锂离子电池相比，非常安全，不会因电解液泄漏而引发着火。

另外，全固态电池的工作温度范围广，可提高能量密度，因此围绕其实用化，企业和学术界展开了激烈的竞争。

当本公司开始着手研发全固态电池时，其他公司已经在这一领域开始了相关研发。小组负责人狮子原说道：“最大的挑战是如何与领先的制造商竞争，其他公司采用硫化物作为全固态电池的电解质，而我们则看中了氧化物。硫化物与水接触时会不可避免地产生有害的硫化氢气体，但是氧化物不会引起燃烧或产生有毒气体。我们的目标是，开发一种高安全性的材料，以制造原创电池。”

但是，虽说已经确定了候选材料，但其离子电导率还达不到所需要求，不能直接作为电解质来使用，必须将离子电导率提高到足以投入实际应用的水平。另外，提高密度并烧结成预期的形状也是非常重要的。目前，本公司已以候选材料为基础，开始研究如何提高电解质特性。

狮子原称：“我们公司在陶瓷业务发展中，建立起可以用其他元素替代某些元素的替代技术，以及使陶瓷材料致密坚固的烧结技术。另外，在材料开发阶段，能够熟练运用前辈们研发的相关技术和知识也是我们的一大优势，在项目启动3年后，开发出了独有的氧化物固体电解质，其离子电导率达到了氧化物的最高水平。”

从烧结型电解质到非烧结型电解质，

迈向性能更加优异的材料开发道路。

（图片来自日本特殊陶业官网）

即使遇到困境，只要积极转变思路就能看到新的可能性。

该项目团队开发的全固态电池最初采用将正极和负极连接到烧结的固体电解质的结构。当时认为最好的负极材料锂也适用于烧结型电解质。然而，当为了减小电阻而将固体电解质尽可能做到最薄时，其一经烧结就接连出现弯曲以及处理时破裂等问题。

因此，项目成员认为继续开发烧结型电解质将不具优势，因而彻底转变思路，开始探索不经烧制，而是通过与粘结剂结合来固化电解质的方法。没有经过烧结的陶瓷依旧是陶瓷，只需将其固化并制成电池即可。

狮子原称：“非烧结型电解质是从烧结型电解质实验中衍生出来的一种技术，是在2005年制造烧结型零件时偶然产生的想法。”

竹内自加入公司以来就一直致力于材料开发，他说道：“我之前一直认为烧结型电解质更具有发展前途，所以一开始对于方针转变还是有些犹豫，并对此持有一种怀疑态度。但是听到狮子原前辈说非烧结型的离子传导率很高时，我感到非常惊讶。经过烧结，各界面能够连接在一起，因此具有高离子传导率和高输出，但是不烧结的话，只能简单地将粉末固化在一起，因此当时无法理解这样如何能做成电池。”

烧结固然能够提升物理性能，但也增加了电池化的难度和成本。与之相比，非烧结型不仅简化了制造工艺，还能实现大型化。与烧结型相比，非烧结型性能较差，但氧化物基全固态电池的制造商使用本公司特有的电解质能够制造出原创电池。

以竹内为中心的团队成员积极看待这一意想不到的思路转换，并加快材料开发。

把握固体电解质的物理性能，

打造支持电池化的新势力。

（图片来自日本特殊陶业官网）

在材料开发的同时，电池成型技术的开发也在进行中。

首先，需要开发一种薄化固体电解质的材料的技术。该技术的开发可以参考在本公司产品的半导体封装制造过程中，将陶瓷粉末均匀分散在溶剂中制成浆料并薄薄地涂覆的技术。

如果能够成功开发出上述固体电解质材料薄化技术，接下来的重点就是致力于开发适合电解质的电极。制作过程中，尽可能使用蓄电能力强的材料，并尽可能降低与电解质接触部位的电阻。

经过上述过程，一个单电池就完成了，然后将其堆叠，封装，就制成了电池。

在像这样反复进行电池的试制和评价的过程中，为了向日本国内外展示开发成果，我们决定发布演示用的试制品，在该试制品的制作过程中，团队中最年轻的和田口做出了巨大贡献。

和田口说道：“在大学，全固态电池也是非常热门的主题。我以前也一直在研究采用怎样的结构才能制造出高性能的电池，所以当得知被选为项目成员时我很激动。但是刚开始的时候，总是无法顺利成膜、短路等问题也时有发生，因此深刻地感受到了制作重要演示品的任务的压力。”

“和田口是确立电池化进程的关键人物。他听取前辈的建议，凭借自己的才智完成了演示品。在2016年的展览会上，也有人对氧化物不经烘烤而直接固化这一本公司独有的技术感到惊讶。今后的开发也需要和田口积极参与，并充分发挥自己的才能”，负责材料开发的竹内对后辈寄予厚望。

实际上，在2017年的展览会上，和田口也充分发挥了自己的实力。

固体电解质、电极、封装，

所有的开发都开始进入新阶段。

（图片来自日本特殊陶业官网）

无论在何处都要追求日本特殊陶业的独特性。

固体电解质电池化的技术是将本公司与其他公司区分开来的关键。我们的强项是不经烘烤的薄化和固化技术、采用高质量电极的封装技术以及将其制成电池的技术，并且我们已经申请了相关专利。

目前，采用无需烘烤即可固化的固体电解质的电池已经成型，但为将其投入实际使用，仍需要进一步提高其性能，项目团队正致力于研发固体电解质的升级。

狮子原说道：“因为不采用烘烤的方式，所以要施加压力使其固化。如此制成的电解质内部的构造非常重要。尤其需要提高电解质密度以及开发控制固体电解质粒子之间接触界面的技术，因此团队正在致力于研究如何将其投入实际应用。另外，电极的研究也进入了新阶段。”

项目小组也在持续关注一种材料的可能性，其因为会与有机电解液反应而无法用于锂电池。正因为本公司的电池中电解质不是液体而是固体，因此具有独特的优势。

当然在材料开发方面，还存在许多挑战，比如需要进一步提高输出功率和离子电导率。但是不能操之过急，要坚定目标脚踏实地地前进。

“每天都踏踏实实地重复着实验，尝试用各种材料制作新电极，然后和电解质封装在一起制成电池，并验证其是否具有所期待的性能。虽然很辛苦，但是可以感觉到每次实验后都能取得一定进展”，狮子原笑着说道。

目标是实现实际使用样品的尽早出货。

（图片来自日本特殊陶业官网）

因为是在全新领域的挑战，所以需解决的问题层出不穷，但是队伍成员们都真心喜欢全固态电池的开发。

“有各种各样的发现，能经常学到新东西，感到很开心，公司对我们的期待也越来越大，所以希望能尽早推出新材料，研发出面向广大市场的新电池”，狮子原描述了对今后的展望。

人们对安全性能高的全固态电池给予了厚望，车载用自不必说，在家电产品、手机、无人飞机等广泛领域的应用也备受期待，因此其很有可能成为日本特殊陶业的新事业领域而蓬勃发展。

三人一齐说道：“我们感到自豪的是，使用本公司独有的非烧结型氧化固体电解质的电池作为一种氧化物电池，在世界上第一次能做到如此小的尺寸。我们想要尽快完成样品，并将其展示于日本国内外，以得到更多的社会评价。”

（图片来自日本特殊陶业官网）

翻译：东雨琦

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

参考日本报道原文：https://www.ngkntk.co.jp/special/story/story09.html