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其中,容量最大的负极材料是金属锂。因此,开发全固体二次电池的企业和研究机构很多都采用金属锂和锂合金作为负极材料(表1)。
正极材料有很多种,得到采用的有理论容量密度较大的氧化钒类材料(LixV3O8),以及在正极用固体材料中容量最大的硫。如果能实现锂-硫(Li-S)电池,理论上能量密度可达到现有锂离子电池的10倍以上。
此前之所以无法使用这些材料,是因为电解质是液体的。例如,金属锂与水接触后会发生爆炸反应。作为正极材料的硫容易溶解在有机电解液中消失。负极采用硫化物材料的话,会与水发生反应生成硫化氢(H2S)。如果电解质是固体的,则能消除或减轻其中的很多课题,选择范围大幅扩大。
实用化面临几大障碍
全固体二次电池的巨大可能性早在30~40年前就为人所熟知。那么,为何直到今天仍未得到充分应用,成为电池技术的主流呢?原因主要有以下几点(图3)。
(1)量产效率比锂离子电池低;(2)探索正极、固体电解质、负极材料及其最佳组合,以及确认循环特性和安全性需要大量时间;(3)采用固体电解质的话,内部电阻会升高,无法提高输出密度;(4)使用新材料虽然解决了电解液挥发等问题,但会出现其他风险,尚未彻底确保安全性,等等。
(1)量产效率低是因为要增加锂离子电池所没有的工序。生产锂离子电池时,只需制作正极和负极后,在中间浇注电解液即可。而全固体二次电池需要均匀、细致地形成电解质,然后实施加压、烧结或蒸镀等工序。尤其是蒸镀法,与现有锂离子电池利用的涂布法相比,装置价格高,而且生产效率低。
另外,工序会随着电解质、正极和负极各材料的不同组合而变化。在确立(2)提到的最佳材料组合之前,很难正式投资建设生产线。
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