Взгляд за пределы практического применения — передовые технологии и проблемы полностью твердотельных батарей.
ИНТЕРВЬЮ 18
Профессор Сигео Мори
Кафедра материаловедения
Высшая инженерная школа, Осакский столичный университет
Ожидается, что твердотельные батареи станут батареями следующего поколения для электромобилей, однако до полномасштабной коммерциализации остается множество проблем. В Научно-исследовательском центре твердотельных батарей Осакского столичного университета несколько исследовательских групп решают эти технологические проблемы, а также содействуют сотрудничеству с промышленностью и обмену человеческими ресурсами в рамках «Консорциума по практическому применению твердотельных батарей».
В чём именно заключаются трудности, связанные с полностью твердотельными батареями, и как университет планирует взаимодействовать с промышленностью? Мы поговорили с профессором Сигео Мори, чтобы узнать больше.
Развитие полностью твердотельных аккумуляторных батарей посредством сотрудничества между промышленностью и научными кругами.
Существует список, известный как «2% самых влиятельных ученых мира».*1, который ранжирует исследователей по количеству цитирований в каждой области. В издание 2025 года были включены пять исследователей из Центра исследований твердотельных батарей при Осакском столичном университете.
*1 «Общенаучные базы данных авторов со стандартизированными показателями цитирования» — созданы и опубликованы Стэнфордским университетом (США) и издательством Elsevier (Нидерланды).
Центр состоит из пяти исследовательских групп, таких как 1. разработка новых материалов и 2. контроль границ раздела твердых тел, и почти во всех из них работают исследователи, входящие в число самых влиятельных ученых мира.
Цитата из информационного бюллетеня № 2, Научно-исследовательский центр твердотельных батарей, Осакский столичный университет.
Японское патентное ведомство: Обзор тенденций в области технологий подачи заявок на национальные патенты на твердотельные батареи.
Список ведущих научно-исследовательских учреждений по количеству опубликованных работ
Цитата из информационного бюллетеня № 2, Научно-исследовательский центр твердотельных батарей, Осакский столичный университет.
Согласно исследованию «Технологические тенденции в области патентных заявок за 2023 финансовый год», проведенному Патентным ведомством Японии, твердотельные батареи определены как технологическая область, в которой Япония обладает конкурентным преимуществом. Кроме того, по количеству опубликованных в период с 2013 по 2022 год статей по твердым электролитам, Осакский столичный университет занимает 2-е место в мире и 1-е место в Японии.
Эти достижения демонстрируют, что Осакский столичный университет является одним из ведущих мировых центров исследований в области твердотельных аккумуляторов.
Ожидается, что твердотельные батареи станут следующим поколением перезаряжаемых батарей, особенно для систем привода электромобилей, и многие производители батарей и автомобилей в настоящее время занимаются их разработкой. Однако, прежде чем они смогут выйти на коммерческий рынок, по-видимому, останется множество технологических и экономических проблем.
Профессор Мори, член Группы по изучению механизмов и входящий в список «2% самых влиятельных ученых мира 2025 года», объясняет технические трудности и проблемы, связанные с этим исследованием.
«Невозможность вернуться в исходное состояние»
Основная структура твердотельных батарей состоит из активного материала катода (*2), активного материала анода (*3) и твердого электролита между ними. Во время зарядки и разрядки ионы лития мигрируют через твердый электролит. Кроме того, электролиты и активные материалы в основном изготавливаются из порошков. Научно-исследовательский центр твердотельных батарей проводит исследования многих типов материалов, уделяя особое внимание, в частности, литий-ионным перезаряжаемым батареям с электролитами на основе сульфидов.
*2 В случае литий-ионных перезаряжаемых батарей используется материал, который высвобождает ионы лития во время зарядки и поглощает их во время разрядки.
*3 В случае литий-ионного аккумуляторного блока, материал, который поглощает ионы лития, поступающие из активных материалов, и высвобождает их во время разряда.
Поскольку сама структура кажется простой, сложных задач возникнуть не должно.
«Настоящая проблема заключается в том, „какое контактное состояние образуют эти порошки и какие границы раздела они создают“», — говорит профессор Мори.
Внутри полностью твердотельной батареи
Вопросы взаимодействия материалов и электролита. Типичным примером является расширение и сжатие активных материалов в результате многократных циклов зарядки и разрядки. Это ухудшает контакт между активным материалом и электролитом, увеличивая сопротивление и, в некоторых случаях, вызывая расслоение, которое может привести к состоянию, близкому к изоляции.
Кроме того, «в некоторых случаях приложение напряжения вызывает движение ионов, изменяя их структуру или запуская химические реакции, которые делают батарею неспособной вернуться в исходное состояние», — объясняет профессор Мори.
Носители заряда (ионы лития) — не единственные подвижные ионы. Были предложены варианты введения галогенов (*4), которые превосходят по ионному числу литий, таких как хлор (Cl) или бром (Br), в твердый электролит на основе сульфидов в качестве каркаса для облегчения перемещения ионов лития. Однако эти галогены становятся анионами и могут мигрировать к границе раздела активного материала во время циклирования или изменять состав вблизи границы раздела.
*4 Твердый электролит на основе сульфида аргиродитового типа
«Перезаряжаемые батареи должны быть в принципе обратимыми — способными возвращаться в исходное состояние», — говорит профессор Мори.
Если это невозможно, они ведут себя как первичные батареи, которые используются один раз и выбрасываются. Помимо обратимости, исследователям также необходимо решать проблемы одну за другой, такие как «разработка материалов, обеспечивающих более быструю зарядку» и «проектирование производственных процессов с меньшим количеством этапов».
Решение проблем, требующее использования разнообразных инструментов.
Естественно, для анализа задач требуется широкий спектр аналитических приборов. Для наблюдения за порошками подойдут приборы микрометрового масштаба, но для анализа изменений состава и структуры необходимы приборы, способные определять распределение элементов и их химическое состояние в наномасштабе. Для измерения легких элементов, таких как литий, требуются иные методы и приборы по сравнению с более тяжелыми элементами.
Перчаточный бокс для изготовления полностью твердотельных батарей.
Ситуацию усложняет то, что подобные наблюдения и анализ необходимо проводить в условиях изоляции от воздуха.
В ходе исследований изучалось образование гидроксида лития, который при взаимодействии с влагой в воздухе немедленно выделяет легковоспламеняющийся водород. Твердые электролиты на основе сульфидов реагируют с влагой в воздухе, изменяя свою структуру и образуя токсичный сульфидный кислород.
Следовательно, образцы необходимо готовить в условиях изоляции от воздуха (внутри перчаточного бокса), герметично упаковывать в контейнеры и помещать в аналитические приборы. Аналитические приборы должны иметь технические характеристики, позволяющие проводить анализ образцов в герметичных контейнерах в условиях изоляции от воздуха.
Разнообразие технических характеристик, которые были введены в последнее время.
Разнообразные аналитические потребности центра отражены в технических характеристиках приборов, введенных в эксплуатацию в 2025 финансовом году в рамках программы «J-PEAKS» Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий. Были установлены четыре прибора производства компании JEOL, перечисленные ниже.
- Сканирующий электронный микроскоп: JSM-IT810
- Газовый хроматограф с времяпролетным масс-спектрометром: JMS-T2000GC
- Электронный дифрактометр: XtaLAB Synergy-ED
- Энергетический фильтр SEM
Первая модель, JSM-IT810, обладает большим количеством функций, чем обычный сканирующий электронный микроскоп (СЭМ).
Вокруг камеры (камеры для образцов) расположено несколько дополнительных устройств. Одно из них — энергодисперсионный рентгеновский спектрометр (ЭДС). Он позволяет проводить качественный и количественный анализ, а также картирование элементов, наблюдаемых с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ).
Еще одним дополнительным устройством является спектрометр мягкого рентгеновского излучения SXES. SXES позволяет проводить высокочувствительный анализ лития — легкого элемента, который трудно анализировать с помощью EDS, — а также получать информацию о химическом составе и состояниях связей.
Автоэмиссионный сканирующий электронный микроскоп Шоттки JSM-IT810
Одной из особенностей JSM-IT810 является возможность проведения оперативного анализа.
Операндный анализ — это непосредственное наблюдение за процессом движения образца.
В частности, устройство оснащено дополнительным держателем для зарядки и разрядки, позволяющим измерять значение тока во время зарядки и разрядки, а также одновременно отслеживать микроизменения состояния образца. Используя такую функцию, «мы также надеемся работать над наблюдением in situ для фиксации изменений интерфейса при моделировании циклов зарядки и разрядки через контакт электродов». (Профессор Мори.)
Второй прибор, JMS-T200GC, представляет собой газовый хроматограф с времяпролетным масс-спектрометром. Однако он оснащен большим количеством методов ионизации, чем традиционные приборы, что позволяет обнаруживать химические вещества, которые трудно ионизировать.
Кроме того, он оснащен программным обеспечением для автоматического качественного анализа с использованием искусственного интеллекта, которое с высокой точностью предоставляет предполагаемую молекулярную формулу химического вещества.
В Осакском столичном университете это называется «Система анализа неизвестных веществ».
Когда в результате многократной зарядки и разрядки образуются неожиданные химические вещества, эта система непременно продемонстрирует свою эффективность, раскрыв истинную природу этих веществ.
Электронный дифрактометр
XtaLAB Synergy-ED
Третий прибор, XtaLAB Synergy-ED, представляет собой платформу для анализа микроструктуры монокристаллов, разработанную совместно компаниями JEOL и Rigaku. Некоторым читателям может показаться несколько нелогичным, что прибор предназначен для «монокристаллов». Если образец получен путем прессования порошка, разве он не будет находиться в аморфном состоянии? На самом деле известно, что диспергирование микрокристаллов в электролите повышает его проводимость. По этой причине разрабатываются материалы, в которых кристалличность намеренно достигается путем термической обработки. В исследованиях также становится важным определить типы и состояния образующихся микрокристаллов.
Четвертый прибор, Energy Filter SEM, представляет собой совершенно новый тип прибора для электронной спектрометрии, предложенный компанией JEOL.
Этот метод позволяет практически в реальном времени разделять и получать информацию из различных энергетических диапазонов, таких как вторичные электроны (ниже нескольких десятков эВ), электроны Оже (от нескольких десятков эВ до нескольких кэВ) и обратнорассеянные электроны (от высоких энергий, близких к энергии падающих электронов, до низкоэнергетического диапазона, близкого к энергии вторичных электронов), а затем проводить анализ «позже, чтобы изучить состав конкретного участка». Выбирая энергетические диапазоны впоследствии, исследователи могут выполнить элементный анализ поверхности образца (спектроскопия Оже), анализ химического состояния и анализ электронного состояния на основе одного измерения.
Поскольку один и тот же образец можно анализировать многогранно на основе одного измерения, ожидается, что этот метод станет мощным инструментом для решения проблем (профессор Мори).
Система, оснащенная ионной пушкой, выполняет профилирование по глубине путем попеременного травления образца и получения спектральных данных. Благодаря быстрому сбору и суммированию спектральной информации с каждого слоя, она позволяет проводить практический трехмерный анализ, который ранее было трудно осуществить.
Научно-исследовательский центр твердотельных батарей, проводящий широкий спектр анализов с использованием этих аналитических приборов, несомненно, накопит ценные данные — не только подсказки для практического применения, но и фундаментальные научные знания.
Бывший президент смотрит за пределы практического применения.
Научно-исследовательский центр твердотельных батарей был создан в августе 2020 года при президенте Университета префектуры Осака Масахиро Тацумисаго (*5), который сам является исследователем твердотельных батарей. Поскольку центр был создан с учетом потребностей промышленности, с самого начала он был ориентирован на социальное применение (практическое использование).
В апреле 2021 года — менее чем через год после своего основания — был создан Консорциум по практическому применению твердотельных батарей, в основном членами центра, с целью содействия сотрудничеству с промышленностью и обмена исследователями, что стало естественным результатом его деятельности.
(*5) В апреле 2022 года он стал первым президентом Осакского столичного университета после слияния университетов. Он одновременно занимал должности президента Осакского городского университета (апрель 2022 г. – март 2025 г.) и Университета префектуры Осака (апрель 2023 г. – март 2025 г.) для обеспечения совместной работы обоих университетов до тех пор, пока в них обучались студенты.
| Август 2020 |
Создание Научно-исследовательского центра твердотельных батарейНазван «Научно-исследовательским центром твердотельных батарей Университета префектуры Осака». |
|---|---|
| апреля 2021 |
Создание консорциума по практическому применению твердотельных батарей.Консорциум, названный «Консорциум университетов префектуры Осака по практическому применению твердотельных батарей», был основан для содействия сотрудничеству с промышленностью и развития научно-исследовательских талантов. В его состав входят 110 корпоративных членов, включая специальных членов (по состоянию на апрель 2026 года). |
| апреля 2022 |
Интеграция Городского университета Осаки и Университета префектуры Осака.После слияния центр и консорциум были переименованы в «Научно-исследовательский центр твердотельных батарей Осакского столичного университета (OMU)» и «Консорциум Осакского столичного университета по практическому применению твердотельных батарей». |
| Август 2022 |
Запуск консорциума по развитию человеческих ресурсов в рамках проекта Kansai BatteryЭтот консорциум, возглавляемый Бюро экономики, торговли и промышленности региона Кансай Министерства экономики, торговли и промышленности Канады (METI), объединяет промышленность, правительство и академические круги. Его цель — подготовить около 22 000 специалистов в области производства аккумуляторов и около 30 000 специалистов по всей цепочке поставок, включая материально-техническое обеспечение. Ожидается, что университет подготовит около 8000 высококвалифицированных специалистов, а также проведет обучение персонала для производственной сферы посредством лекций и ознакомительных поездок. Научно-исследовательский центр твердотельных аккумуляторов Университета ОМА участвует в проекте в качестве центра подготовки кадров на основе передовых технологий разработки и оценки материалов для аккумуляторов. |
| апреля 2023 |
Утверждено Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий (MEXT).Научно-исследовательский центр твердотельных батарей OMU впервые в Японии получил официальное признание как центр совместного использования и совместных исследований. |
| Декабрь 2023 |
Проект отобран для участия в программе J-PEAKS в качестве перспективного исследовательского проекта.Проект, предложенный Осакским столичным университетом в качестве ведущего учреждения, был отобран для участия в программе J-PEAKS Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии (MEXT) «Формирование ведущих исследовательских университетов Японии». Исследование энергетических материалов на основе твердотельных батарей, преимуществами которых обладает Осакский столичный университет, рассматривается как типичный пример перспективного направления исследований, способного внести существенный вклад в планирование политики и социальную реализацию посредством совместного творчества промышленности, академических кругов, правительства и частного сектора. |
| апреля 2025 |
Открытие здания Smart Energy.Здание Smart Energy Building — это комплекс, построенный в кампусе OMU в Накамодзу при поддержке проекта Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии «Проект развития инфраструктуры для сотрудничества промышленности, академических кругов и правительства и совместных исследований» и J-PEAKS. |
В регионе Кансай расположены крупные компании, связанные с производством аккумуляторов, такие как Panasonic Energy Co., Ltd. и GS Yuasa International Ltd. Вдоль Осакского залива сосредоточено множество заводов по производству литий-ионных аккумуляторов, производителей компонентов и научно-исследовательских учреждений, за что регион получил прозвище «Батареальный залив Кансай».
Благодаря высоким ожиданиям со стороны отрасли, к апрелю 2026 года консорциум вырос до более чем 100 компаний-участниц.
«Профессор Тацумисаго часто говорит: «Фундаментальные исследования становятся еще важнее после коммерциализации». Университеты, как правило, придерживаются фундаментальных исследований и прекращают их, как только достигается практическое применение. Но это не способствует развитию японской промышленности. Понимание того, что происходит после коммерциализации, и постоянное совершенствование результатов имеют первостепенное значение. Думаю, именно это он и имел в виду». (Профессор Мори.)
Промышленность стремится к прорывам для коммерциализации, но университет, который продолжает фундаментальные исследования и после этого, а также помогает улучшить характеристики продукции, должен быть бесценен для промышленности.
Здание Инновационной академии, посвященное интеллектуальной энергетике, открылось 1 апреля 2025 года.
Этот комплекс служит своего рода живой лабораторией для сотрудничества между промышленностью, университетами и государственным и частным секторами с целью содействия совместным исследованиям с компаниями и создания стартапов.
Сигео Мори
Кафедра материаловедения
Высшая инженерная школа, Осакский столичный университет
Специализируется на структурном анализе функциональных материалов. Занимается оценкой микроструктурных характеристик с помощью электронной микроскопии, а также изучением механизмов реакций и межфазных явлений в материалах твердотельных батарей.
