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成，特意將金屬Li負極的一部分剝離。

圖2：C-S復合粒子/LiBH4正極層截面的場發(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?，在C-S復合粒子的內(nèi)部，C與S呈相互高分散狀態(tài)。而且，C-S復合粒子與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，S正極的單位重量能量密度在反復20次充放電后保持在1590Whkg-1（比容量為820mAhg-1），在反復45次充放電后仍保持在1410Whkg-1（比容量為730mAhg-1），可實現(xiàn)穩(wěn)定工作。

日本東北大學原子分子材料科學高等研究機構的講師宇根本篤及教授折茂慎一的研究小組，通過與日本大學金屬材料研究所和三菱氣體化學公司的共同研究，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)的將絡合氫化物硼氫化鋰（LiBH4）用作固體電解質(zhì)的技術而實現(xiàn)的。

電池的蓄電性能由電極材料的組合來決定。與原來的電池使用的電極相比，S正極和Li負極均擁有10倍以上的理論容量，有可能大幅提高蓄電性能。不過，配備有機電解液的電池采用S正極時，容易出現(xiàn)伴隨放電、S正極溶解到有機電解液溶解中的情況，因此在反復充放電后，蓄電性能會顯著降低。為了解決這一問題，全球開始研究可替換有機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。

日本東北大學的研究小組著眼于絡合氫化物作為電池用固體電解質(zhì)的功能性，開發(fā)出了基于絡合氫化物的新型固體電解質(zhì)。絡合氫化物LiBH4在120℃下顯示出了高達210-3S/cm的鋰離子傳導率。通過此次研究，該研究小組成功把LiBH4配備到了電池中。經(jīng)證實，開發(fā)出的全固體Li-S電池反復充放電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。

絡合氫化物固體電解質(zhì)用于電池時，與其他無機固體電解質(zhì)相比有很多優(yōu)點。首先是能夠在構成元素方面選擇較輕的元素，因此可實現(xiàn)輕量化；其次，可在大電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定性，因此能夠使用多種電極。絡合氫化物容易像蠟那樣變形，因此能夠利用極簡單的方法來制造，只需在室溫下單軸加壓即可。不過，由于硫是絕緣體，因此要想促進作為電池的反應，還必須使硫和作為導體的碳（C）及電解質(zhì)之間形成良好的界面。

研究人員使用機械研磨法使C和S組合，獲得了兩者以納米級相互高分散的復合粒子（C-S復合粒子）。由于絡合氫化物LiBH4容易變形，因此只需向C-S復合粒子與LiBH4粒子的混合物加壓，即可高密度形成能夠促進電池反應的、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復合粒子為正極、以金屬Li為負極的全固體離子電池，并對其特性進行了測評。結果證實，S正極的單位重量能量密度達到1410Whkg-1以上，在120℃的工作溫度下能夠穩(wěn)定完成至少45次的反復充放電（圖3）。（記者：浜田基彥）