李守仁/ 健行科技大學；白立文/ 工研院材化所
鎖定2020年全球10,000億日幣的車輛、電力儲存用先進蓄電池市場，日本內閣會議在2017年6月拍板定案的「2017未來投資戰略」中，訂定了日系企業佔比五成的目標，加速開發安全性優於液體系鋰離子電池的全固態鋰離子電池。2018年2月底在日本舉辦的「國際二次電池展」上也可嗅出鋰離子二次電池往高容量、高功率以及安全性發展的趨勢。本文首先概述高電壓正極材料與矽負極，為全固態電池熱場，其次略談2018年開始執行之為期5年的「先進、創新蓄電池材料評估技術開發(第二期)」，藉此一窺日本如何迎接全固態電池時代的來臨。
高電壓正極材料
結合FDK的電腦輔助工程(Computer Aided Engineering ；CAE)與富士通研究所的材料成形技術，FDK與富士通研究所共同開發出具有高能量密度的正極材料---「焦磷酸鋰鈷(Li2CoP2O7)」。新材料的能量密度可達原有鋰離子電池正極材料的1.5倍(圖一)，重量容量密度則達到860Wh/kg。新材料中每式量分子中含二個鋰離子，電位差大，可高電壓(5V)充放電(圖二)，且其分子結構穩定，不易劣化。當電壓高於4.5V時，電解液會分解，所以新開發的5V正極材料適合應用於全固態電池。搭配陶瓷材料的固體電解質，經積層、燒結製成全固態電池，應用此種高電壓正極材料之全固態電池預計將於2018年12月開始送樣。
圖一、Li2CoP2O7與原有材料的能量密度比較
矽負極-Maxell
Maxell以矽系材料取代碳系材料，開發出高容量密度的負極。SiOx的重量容量密度為石墨負極的11倍，使用「ULSiON」技術將負極活性物質含量由數%提高至50%，可搭配液體、固體電解質，於-40℃〜+120℃均可作動，而在非作動溫度範圍時發火風險低，且可抑制充放電時電解質的分解產生氣體。
一般而言，矽系材料在充放電時的體積膨脹、收縮大於碳系材料。Maxell將球狀奈米矽結晶與非結晶SiOx複合形成粒子，利用柔軟的非結晶SiOx吸收奈米矽結晶的膨脹、收縮，同時於複合粒子表面披覆奈米碳，藉以確保負極活性物質間的電氣傳導性(圖三)。試作之全固態電池的特性並不遜於使用電解液的鋰離子二次電池(圖四)。
圖三、奈米矽複合粒子的結構
極-GS Yuasa
矽負極雖可提高鋰離子二次電池的容量密度，唯多次充放電後會快速劣化，難以使用於車輛用途。GS Yuasa經研究解析歸納出矽負極循環劣化的三點機制：
1. 來自電解液的效應
當金屬矽嵌入鋰離子時，會與電解液反應形成被膜，此被膜在充放電反應時因矽體積變化而部份剝離，被膜剝離後新外露出來的矽於充放電時再次形成新的被膜，如此重覆形成、剝離被膜，被膜厚度逐漸變厚，影響鋰離子之嵌入矽，減少了充放電時可作用的活性物質。
2. 金屬矽微粉化
當電池重覆充放電時---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。