圖1：新開發(fā)的全固體Li-S電池的照片。為了便于看清電池的構(gòu)成，特意將金屬Li負(fù)極的一部分剝離。

圖2：C-S復(fù)合粒子/LiBH4正極層截面的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡圖像（a）、S的分布（b）、C的分布（c）?？梢钥闯觯贑-S復(fù)合粒子的內(nèi)部，C與S呈相互高分散狀態(tài)。而且，C-S復(fù)合粒子與LiBH4緊貼在一起，形成了良好的接觸界面。

圖3：全固體Li-S電池的充放電曲線。經(jīng)證實(shí)，S正極的單位重量能量密度在反復(fù)20次充放電后保持在1590Whkg-1（比容量為820mAhg-1），在反復(fù)45次充放電后仍保持在1410Whkg-1（比容量為730mAhg-1），可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。

日本東北大學(xué)原子分子材料科學(xué)高等研究機(jī)構(gòu)的講師宇根本篤及教授折茂慎一的研究小組，通過(guò)與日本大學(xué)金屬材料研究所和三菱氣體化學(xué)公司的共同研究，成功開發(fā)出了使用硫（S）正極和金屬鋰（Li）負(fù)極的全固體Li-S電池（圖1）。這是利用該研究小組自主開發(fā)的將絡(luò)合氫化物硼氫化鋰（LiBH4）用作固體電解質(zhì)的技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的。

電池的蓄電性能由電極材料的組合來(lái)決定。與原來(lái)的電池使用的電極相比，S正極和Li負(fù)極均擁有10倍以上的理論容量，有可能大幅提高蓄電性能。不過(guò)，配備有機(jī)電解液的電池采用S正極時(shí)，容易出現(xiàn)伴隨放電、S正極溶解到有機(jī)電解液溶解中的情況，因此在反復(fù)充放電后，蓄電性能會(huì)顯著降低。為了解決這一問題，全球開始研究可替換有機(jī)電解液的固體電解質(zhì)。但能夠配備到電池中的固體電解質(zhì)只有很少一部分。

日本東北大學(xué)的研究小組著眼于絡(luò)合氫化物作為電池用固體電解質(zhì)的功能性，開發(fā)出了基于絡(luò)合氫化物的新型固體電解質(zhì)。絡(luò)合氫化物L(fēng)iBH4在120℃下顯示出了高達(dá)210-3S/cm的鋰離子傳導(dǎo)率。通過(guò)此次研究，該研究小組成功把LiBH4配備到了電池中。經(jīng)證實(shí)，開發(fā)出的全固體Li-S電池反復(fù)充放電45次后，蓄電性能也未顯著降低，S正極的單位重量能量密度達(dá)到1410Whkg-1以上，與以前使用的正極材料相比，能夠以2～3倍以上的高能量密度穩(wěn)定工作。

絡(luò)合氫化物固體電解質(zhì)用于電池時(shí)，與其他無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)相比有很多優(yōu)點(diǎn)。首先是能夠在構(gòu)成元素方面選擇較輕的元素，因此可實(shí)現(xiàn)輕量化；其次，可在大電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性，因此能夠使用多種電極。絡(luò)合氫化物容易像蠟?zāi)菢幼冃?，因此能夠利用極簡(jiǎn)單的方法來(lái)制造，只需在室溫下單軸加壓即可。不過(guò)，由于硫是絕緣體，因此要想促進(jìn)作為電池的反應(yīng)，還必須使硫和作為導(dǎo)體的碳（C）及電解質(zhì)之間形成良好的界面。

研究人員使用機(jī)械研磨法使C和S組合，獲得了兩者以納米級(jí)相互高分散的復(fù)合粒子（C-S復(fù)合粒子）。由于絡(luò)合氫化物L(fēng)iBH4容易變形，因此只需向C-S復(fù)合粒子與LiBH4粒子的混合物加壓，即可高密度形成能夠促進(jìn)電池反應(yīng)的、穩(wěn)定的電極/電解質(zhì)界面，從而制造出具有該界面的正極層（圖2）。

此次試制了以這種C-S復(fù)合粒子為正極、以金屬Li為負(fù)極的全固體離子電池，并對(duì)其特性進(jìn)行了測(cè)評(píng)。結(jié)果證實(shí)，S正極的單位重量能量密度達(dá)到1410Whkg-1以上，在120℃的工作溫度下能夠穩(wěn)定完成至少45次的反復(fù)充放電（圖3）。（記者：浜田基彥）