如果要提高搭載于移動終端或汽車內的鋰離子電池的性能,起火的危險也會隨之提高。原因是傳統的鋰離子電池使用了易燃的液體作為電解質。為此,日本正在推進將電解質替換成不會燃燒的陶瓷材料等固體的“全固態蓄電池”的開發。

“現在智能手機充滿電需要1小時以上,但新型蓄電池力爭實現1秒內滿充電”,東京工業大學教授一杉太郎說出了這樣的豪言壯語。一杉教授正嘗試通過提高固體電解質和電池正極間的性能,實現前所未有的瞬間充電。

東京工業大學試制的全固態鋰離子電池

目前的電池充電耗費時間是因為這回使不同固體的氧化物之間接觸不良,電阻增強。一杉認為“如果能將不同種的固體在原子層面上連接起來,就能降低電阻”。他基于這一想法正反復進行試驗。

一杉使用了備受汽車廠商關注的“氧化鋰·鎳·錳”作為正極,而用磷酸鋰作為電解質。通過應用最先進的半導體制造技術,在正極表面使電解質形成薄膜,從而使固體電解質和正極間的阻力降低到了液體電解質與正極間的阻力的五分之一至十分之一。

東京工業大學正在與大型半導體相關企業共同開發,預計在一年后試生產可以實際使用的電池。下一個目標是汽車。該大學將和大型汽車廠商聯合,將在薄膜上得到實證的低阻力應用到塊狀電池上,力爭開發出可以長時間使用的電池。

日本科學技術振興機構(JST)也在開展使用氧化物電解質的全固體蓄電池的開發。總體負責相關項目的日本物質與材料研究機構的負責人高田和典謹慎地指出,“盡管薄膜的開發勢頭很好,但要替換車用的塊狀電池還需要時間”。盡管如此,一杉教授還是自信地表示,“如果解決了薄膜上的問題,塊狀也同樣適用”。

長崎大學開發的氧化物的固體電解質 。通電前(左)和短路后發黑的狀態

一方面,參加了日本科學技術振興機構項目的長崎大學的準教授山田博俊表示正在進行提高電流密度、實現大容量化的研究。在電解質中使用陶瓷材料“氧化鋰·鑭·鋯·鉈”,而在負極使用金屬鋰。

作為負極材料,金屬鋰的儲電量最優。但是在反復的充放電中,金屬鋰中會生成一種叫做樹突的樹枝狀結晶,穿過電解質到達正極,從而引起短路。

山田準教授開發了抑制樹突生成的新技術,并在3月于東京都八王子市召開的學術界會議“電氣化學會”上發表了這一技術。

電解質通過氧化物的粒子燃燒固化后制成,而樹突是燒結后在粒子間的縫隙中流通形成的。對此,山田準教授等將直徑約2微米的氧化物粒子和低熔點的氫氧化鋰混合燒結,使得厚約0.5微米的氫氧化鋰覆蓋在粒子表面,擠滿間隙。通電實驗的結果表明,與未覆蓋的粒子相比,短路之前的電流密度可以提高至3倍。

山田準教授表示,“將力爭作為可通過太陽能、風力和震動充電的傳感器用電源投入實際使用”。

全固態電池的商品化雖然才剛開始,但安全和高性能使其具有巨大的吸引力。除汽車外,未來還有望被應用于物聯網(ioT)用傳感器,遠程回收自然資源等。