清華大学化学工学部の張強教授チームは高エネルギー密度と高安全性電池の研究開発において重要なブレークスルーを遂げ、新型フッ素含有ポリエーテル電解質の開発に成功し、リチウム電池のエネルギー密度と安全性能の二重向上を実現した。この電解質に基づいて構築されたリチウムリッチマンガン系ポリマーソフトパック全電池のエネルギー密度は604ワット時/kgに達し、現在の商業化リン酸鉄リチウム電池（150-190ワット時/kg）及びニッケルコバルトマンガン三元系電池（240-320ワット時/kg）のレベルをはるかに上回っている。
1、テクノロジーブレークスルー：固体電池の歴史的飛躍
電動交通手段及び電動航空機の急速な発展に伴い、動力システムは電池のエネルギー密度と安全性能に対してより高い要求を提出している。電池技術はすでに先端科学技術分野の重要な難関突破方向となっており、固体電池は高エネルギー密度と潜在的な安全優位性を備えているため、次世代リチウム電池の重要な発展方向と一般的に考えられている。従来の固体電池は複数の技術的ボトルネックに直面しており、固体電極と電解質との間の剛性接触は界面インピーダンスを大きくしている。同時に、電解質は高電圧正極と強い還元性負極からなる極端な電気化学環境において安定を維持することが困難であり、電池全体の性能向上を制限している。
界面接触と化学互換性を改善するために、既存の研究は高圧の印加や複雑な多層構造の設計に依存している。しかし、高圧条件は実際の応用において長期的に維持することが難しく、複雑な構造はまた新たな界面問題を引き起こしやすく、技術の実用化プロセスを阻害している。
2、コアイノベーション：アニオンリッチ溶媒化構造
固体電池の技術的難題に対し、清華大学の研究チームは「アニオン豊富な溶媒化構造」という革新的な設計構想を打ち出し、新型フッ素含有ポリエーテル電解質を開発した。この材料は固−固界面の物理的接着とイオン伝送効率を著しく強化するだけでなく、広い電圧窓下での界面の化学安定性を効果的に高めた。
研究チームはリチウム結合化学原理に基づいて、独特の「-F…Li⁺…O-」配位構造を構築し、高いイオン伝導率を持つアニオン豊富な溶媒化構造の形成を誘導した。さらに、電極表面にフッ化物を豊富に含む安定した界面層が派生し、界面安定性が著しく向上した。電解質は熱誘発原位置重合技術により、固体界面の物理的接触とイオン伝導能力を効果的に強化し、高い外圧と複雑な構造を回避する条件下で、安定して高効率な界面の構築を実現した。
3、パフォーマンス：エネルギー密度と安全性のダブルブレークスルー
実際の性能テストでは、容量8.96アンペア時のポリマーソフトパック全電池は、1MPaの外圧のみを印加した条件下で、604Wh/kgのエネルギー密度を実現した。現在広く利用されているリン酸鉄リチウム電池（150~190 Wh/kg）やニッケルコバルトマンガン酸リチウム電池（240~320 Wh/kg）よりもはるかに高い数字である。
さらに注目すべきは、このバッテリーが安全性能の面で同様に優れていることだ。満充電状態では、バッテリーは針刺試験及び120度の高温で6時間静置するホットボックス試験に順調に合格し、発火や爆発現象は発生しなかった。サイクル寿命テストによると、バッテリーは0.5C倍率で500回の充放電サイクルを経た後、容量維持率は72.1%に達し、長期使用可能性が良好であることが示された。
4、産業背景：固体電池の優位性と課題
固体電池は固体電解質を採用し、従来のリチウムイオン電池の電解液とセパレータに代わり、構造を簡素化し、性能を向上させた。その正極は高電圧材料で急速充電とエネルギー密度を高め、負極はリチウム金属に適合してエネルギー密度を大幅に高め、正極の選択を広げる。
全固体電池は異なる形状に設計でき、マイクロエレクトロニクス分野からグリッドエネルギー貯蔵分野までさまざまなシーンに応用される。しかし、固体電池の研究開発への道も多くの課題に直面している。「固−固界面」の接触性と安定性は従来の電池の「固−液界面」よりも悪く、イオン輸送効率が相対的に低く、これは固体電池の研究開発における第一の技術的難題である。
5、中国科学研究：世界競争を多方面で突破
中国は固体電池研究開発の世界競争で力強い勢いを見せている。清華大学のブレークスルーのほか、中国科学院物理研究所の黄学傑研究員チームは複数の科学研究機関と共同で、アニオン制御技術を開発し、全固体金属リチウム電池における電解質とリチウム電極間の緊密接触が困難な難題を解決した。
このジレンマを解決するため、研究チームは電解質にヨウ素イオンを導入した。電池が動作すると、これらのヨウ素イオンは電界の作用により電極界面に移動し、ヨウ素豊富な界面層を形成する。この界面はリチウムイオンを積極的に吸引し、すべての隙間や穴を自動的に充填し、電極と電解質を常に密着させることができる。
6、応用の見通し：電動航空からエネルギー貯蔵市場へ
604ワット時/キログラムのエネルギー密度の突破は、多くの先端科学技術分野に新たな可能性をもたらした。空飛ぶ自動車、電動垂直離着陸機（eVTOL）、都市航空交通(UAM)の発展に伴い、固体電池は低空飛行キャリアの主流電池技術になると期待されている。
7、産業化プロセス
BYDは2027年に硫化物全固体電池を小ロット生産し、2030年には主流の電気自動車モデルに応用する計画だ。
寧徳時代は2027年に全固体電池の小ロット生産水準に達する予定だ。
億緯リチウム能は2026年にプロセスのブレークスルー、2028年に技術のブレークスルーを実現し、400Wh/kgの高比エネルギー全固体電池を発売する計画だ。業界内では、2030年あるいは固体電池産業化の重要な節目との見方が広がっている。技術路線を見ると、多くの企業が半固体、ゲル状態電池という移行路線を選択している。
（趙 嘉瑋）
