软银公司高比能量密度全固态电池研究现状

软银公司高比能量密度全固态电池研究现状

远望智库开源情报中心 编译

瞄准高能量密度电池

软银公司一直在为无人机和高空平台站（HAPS）等需要减轻重量的设备开发高比能量密度（Wh/kg）和轻量化的下一代电池。

2020年，软银公司使用锂金属电池（LMB）实现了全球首次450Wh/kg的验证。次年，又进一步成功实现了520Wh/kg的验证。

一般来说，很难同时兼顾重量比能量密度和寿命特性，尤其是对于下一代电池而言。LMB采用的锂金属负极有望将容量（3681 mAh/g）提高至目前锂离子电池所用的石墨负极（381 mAh/g）的十倍左右，但存在电解液分解、充放电过程中锂负极膨胀收缩大、锂枝晶生长导致容量衰减、短路等严重问题，导致LMB的寿命特性比锂离子电池短。

为了解决这些问题，需要更稳定的电解质。近年来，随着固体电解质的快速发展，人们对采用锂金属作为负极的高比能量密度全固态电池（ASSB）产生了浓厚的兴趣。

关于ASSB

全固态化是提高锂离子电池安全性、输出等特性的技术。一般在电池中，阴极和阳极之间放置一种称为电解质的离子导体，通过电解质传输离子。全固态电池不使用可燃的有机液体电解质，而只使用稳定的固体电解质。由于固体电解质具有热稳定性和高电压稳定性，因此可以抑制由于电池温度升高而导致的液体电解质的起火和爆炸。这一特性使得使用具有高容量或高电压的正极材料成为可能。

此外，一些固体电解质在化学稳定性、低温和高温环境下的稳定性以及离子电导率方面具有优于液体电解质的特性。这些发现增加了全固态电池实现更长寿命、更宽的工作温度范围和更高输出特性的可行性。因此，许多研究机构和公司都在进行全固态电池的研究和开发。

在媒体上，“全固态电池”、“固态电池”、“准固态电池”（以下简称固态电池）等术语经常被混淆或互换使用，但全固态电池与固态电池不同，固态电池是一种固体电解质和液体电解质的混合系统。虽然添加有机液体电解质可以促进电池的早期商业化，但与全固态电池相比，在工作温度范围、电压和寿命改善方面没有优势。如上所述，软银的目标是开发ASSB。

锂离子电池与ASSB

ASSB面临的挑战

虽然人们对ASSB的期望越来越高，但也存在许多问题。其中一个关键问题是在固体颗粒之间形成良好的界面，并通过跟随锂金属阳极的体积膨胀和收缩来维持界面。由于液体电解质具有流动性，因此可以与具有复杂凹凸表面的阴极活性材料形成合适的界面。另一方面，在固体电解质中，如果固体电解质（固体颗粒）和阴极活性材料（固体颗粒）不能很好地粘附在一起，则无法确保足够的离子传导。如果界面控制不好，界面电阻会增加，导致电池容量、输出功率降低，寿命特性受损。

在负极界面的情况下，如果对锂金属阳极的控制不足，据报道锂枝晶会沿着固体电解质层的晶粒边界生长，导致阴极和阳极之间在早期短路。这会导致电池发热和/或缩短其寿命。

为了解决这些问题，软银公司正在开发一些技术，例如在正极活性物质表面薄层涂覆固体电解质、在锂金属表面涂覆纳米级人工涂层以及电池组中电芯的有效压缩方法。我们已成功证实，有几项技术可有效解决这些问题。

实现350Wh/kg及未来的挑战

2023年8月，软银公司通过与美国Enpower Greentech Inc.子公司Enpower Japan联合研究，从固体电解质材料的选择、正极活性物质与固体电解质的组成优化、正极涂敷方法与材料、电池生产工艺等方面，成功建立了正极层与固体电解质层界面的控制技术。两家公司还成功开发了减少正极混合层等固体电解质重量比、减薄固体电解质层等减重技术，将ASSB电池比能量密度提升至300Wh/kg，这一能量值与锂离子电池单体的最大值相同。

ASSB电池规格

ASSB电池的放电容量

2024年7月，软银公司全固态电池实现350Wh/kg比能量。软银公司和 Enpower Japan公司通过固态电解质的均质化提高活性物质的比例、减薄固态电解质层等技术进步，成功演示了比能量约为350Wh/kg的全固态锂金属电池。

软银公司350 Wh/kg电池单元及充放电特性

软银公司通过实现350Wh/kg的比能量，向下一步验证400Wh/kg的开发目标迈出了重要一步。

软银的电池发展战略

电池研究从小型模型电池开始，然后发展到实用的大型电池，例如袋式电池。为了提高重量能量密度，必须扩大电池尺寸，从而降低电池外壳和引线等部件的重量比。然而，随着电池变大，均匀性的影响会增加，并且需要减薄固体电解质层。软银公司正继续研究和开发下一代高容量电池，旨在进一步提高均匀性。

软银公司与东京工业大学合作，致力于增强固体电解质、开发新工艺技术以及制造高容量正极材料（例如高压阴极）。目标是在2024财年之前实现400Wh/kg的重量能量密度，然后继续开发，以实现超过1000 次循环，从而延长电池寿命。目前，体积能量密度（Wh/L）与液态锂离子电池相当。但是，通过使用树脂箔作为集电器，体积能量密度也将得到改善。同时，软银正在开发降低约束压力的基本技术。这些进步旨在进一步提高固态电池的性能和实际应用，扩大其在HAPS和无人机等航空领域、物联网设备和汽车应用方面的使用。