日本科学家正在开发全固体蓄电池 可实现瞬间充电

如果要提高搭载于移动终端或汽车内的锂离子电池的性能,起火的危险也会随之提高。原因是传统的锂离子电池使用了易燃的液体作为电解质。为此,日本正在推进将电解质替换成不会燃烧的陶瓷材料等固体的“全固态蓄电池”的开发。

“现在智能手机充满电需要1小时以上,但新型蓄电池力争实现1秒内满充电”,东京工业大学教授一杉太郎说出了这样的豪言壮语。一杉教授正尝试通过提高固体电解质和电池正极间的性能,实现前所未有的瞬间充电。

目前的电池充电耗费时间是因为这回使不同固体的氧化物之间接触不良,电阻增强。一杉认为“如果能将不同种的固体在原子层面上连接起来,就能降低电阻”。他基于这一想法正反复进行试验。

一杉使用了备受汽车厂商关注的“氧化锂·镍·锰”作为正极,而用磷酸锂作为电解质。通过应用最先进的半导体制造技术,在正极表面使电解质形成薄膜,从而使固体电解质和正极间的阻力降低到了液体电解质与正极间的阻力的五分之一至十分之一。

东京工业大学正在与大型半导体相关企业共同开发,预计在一年后试生产可以实际使用的电池。下一个目标是汽车。该大学将和大型汽车厂商联合,将在薄膜上得到实证的低阻力应用到块状电池上,力争开发出可以长时间使用的电池。

日本科学技术振兴机构(JST)也在开展使用氧化物电解质的全固体蓄电池的开发。总体负责相关项目的日本物质与材料研究机构的负责人高田和典谨慎地指出,“尽管薄膜的开发势头很好,但要替换车用的块状电池还需要时间”。尽管如此,一杉教授还是自信地表示,“如果解决了薄膜上的问题,块状也同样适用”。

一方面,参加了日本科学技术振兴机构项目的长崎大学的准教授山田博俊表示正在进行提高电流密度、实现大容量化的研究。在电解质中使用陶瓷材料“氧化锂·镧·锆·铊”,而在负极使用金属锂。

作为负极材料,金属锂的储电量最优。但是在反复的充放电中,金属锂中会生成一种叫做树突的树枝状结晶,穿过电解质到达正极,从而引起短路。

山田准教授开发了抑制树突生成的新技术,并在3月于东京都八王子市召开的学术界会议“电气化学会”上发表了这一技术。

电解质通过氧化物的粒子燃烧固化后制成,而树突是烧结后在粒子间的缝隙中流通形成的。对此,山田准教授等将直径约2微米的氧化物粒子和低熔点的氢氧化锂混合烧结,使得厚约0.5微米的氢氧化锂覆盖在粒子表面,挤满间隙。通电实验的结果表明,与未覆盖的粒子相比,短路之前的电流密度可以提高至3倍。

山田准教授表示,“将力争作为可通过太阳能、风力和震动充电的传感器用电源投入实际使用”。

全固态电池的商品化虽然才刚开始,但安全和高性能使其具有巨大的吸引力。除汽车外,未来还有望被应用于物联网(ioT)用传感器,远程回收自然资源等。