Melihat melangkaui aplikasi praktikal - Barisan hadapan dan cabaran bateri semua-keadaan pepejal

TEMUDUGA 18

Profesor Shigeo Mori
Jabatan Sains Bahan
Sekolah Siswazah Kejuruteraan, Universiti Metropolitan Osaka

Bateri keadaan pepejal sepenuhnya dijangka menjadi bateri generasi akan datang untuk kenderaan elektrik, namun masih banyak cabaran sebelum pengkomersialan berskala penuh dapat dicapai. Di Pusat Penyelidikan Bateri Keadaan Pepejal Seluruh Universiti Metropolitan Osaka, pelbagai kumpulan penyelidikan sedang menangani isu-isu teknologi ini sambil turut menggalakkan kerjasama industri dan pertukaran sumber manusia melalui "Konsortium untuk Aplikasi Praktikal Bateri Keadaan Pepejal Seluruh".
Di manakah sebenarnya terletaknya kesukaran bateri keadaan pepejal sepenuhnya, dan bagaimanakah universiti itu berhasrat untuk berinteraksi dengan industri? Kami telah bercakap dengan Profesor Shigeo Mori untuk mengetahui lebih lanjut.

Memajukan Pembangunan Bateri Keadaan Pepejal Semua Melalui Kolaborasi Industri-Akademia

Terdapat senarai yang dikenali sebagai "2% Saintis Paling Berpengaruh di Dunia"^*1, yang menilai kedudukan penyelidik mengikut bilangan petikan dalam setiap bidang. Dalam edisi 2025, lima penyelidik dari Pusat Penyelidikan Bateri Semua Keadaan Pepejal di Universiti Metropolitan Osaka telah dimasukkan.

*1 "Pangkalan data pengarang seluruh sains bagi penunjuk petikan piawai"- dicipta dan diterbitkan oleh Universiti Stanford (AS) dan Elsevier (Belanda).

"Ketidakupayaan untuk kembali ke keadaan asal"

Struktur asas bateri keadaan pepejal sepenuhnya terdiri daripada bahan aktif katod (*2), bahan aktif anod (*3), dan elektrolit pepejal di antaranya. Semasa pengecasan dan penyahcasan, ion litium berhijrah melalui elektrolit pepejal. Di samping itu, elektrolit dan bahan aktif pada asasnya dihasilkan daripada serbuk. Pusat Penyelidikan Bateri Keadaan Pepejal Semua menjalankan penyelidikan terhadap pelbagai jenis bahan, dan mereka memberi penekanan, khususnya, pada bateri boleh dicas semula ion litium dengan elektrolit berasaskan sulfida.

*2 Bagi bateri boleh dicas semula ion litium, bahan yang melepaskan ion litium semasa pengecasan dan menyerapnya semasa dinyahcas

*3 Bagi bateri boleh dicas semula ion litium, bahan yang menyerap ion litium yang datang daripada bahan aktif dan melepaskannya semasa dinyahcas.

Oleh kerana struktur itu sendiri kelihatan mudah, mungkin tidak ada sebarang cabaran yang rumit.
Cabaran sebenar terletak pada "jenis keadaan sentuhan yang terbentuk oleh serbuk ini dan jenis antara muka yang mereka cipta," kata Profesor Mori.

Antara muka penting - Satu contoh biasa ialah pengembangan dan pengecutan bahan aktif dengan mengulangi pengecasan dan penyahcasan. Ini memburukkan lagi sentuhan antara bahan aktif dan elektrolit, meningkatkan rintangan dan, dalam beberapa kes, menyebabkan delaminasi yang boleh menyebabkan keadaan hampir dengan penebat.

Selain itu, "terdapat kes di mana penggunaan voltan menyebabkan ion bergerak, mengubah struktur atau mencetuskan tindak balas kimia yang menjadikan bateri tidak dapat kembali ke keadaan asalnya," jelas Profesor Mori.

Pembawa cas (ion litium) bukanlah satu-satunya ion mudah alih. Terdapat cadangan untuk memperkenalkan halogen (*4) yang lebih besar daripada litium seperti klorin(Cl) atau bromin(Br) dalam elektrolit pepejal berasaskan sulfida sebagai rangka kerja untuk memudahkan ion litium bergerak. Walau bagaimanapun, halogen ini menjadi anion dan mungkin berhijrah ke antara muka bahan aktif semasa kitaran atau mengubah komposisi berhampiran antara muka.

*4 Elektrolit pepejal sulfida jenis argirodit

Penyelesaian masalah yang memerlukan pelbagai instrumen

Sememangnya, pelbagai instrumen analisis diperlukan untuk menganalisis masalah. Untuk memerhati serbuk, instrumen pemerhatian berskala µm sudah memadai, tetapi menganalisis perubahan komposisi dan struktur memerlukan instrumen yang mampu mempunyai taburan unsur skala nano dan keadaan kimia. Unsur ringan seperti litium memerlukan teknik dan instrumen pengukuran yang berbeza berbanding unsur yang lebih berat.

Pelbagai spesifikasi yang telah diperkenalkan kebelakangan ini

Keperluan analitikal pusat yang pelbagai ini tercermin dalam spesifikasi instrumen yang diperkenalkan pada TK2025 di bawah program "J-PEAKS" Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Sukan, Sains dan Teknologi. Empat instrumen seperti di bawah daripada JEOL telah dipasang.

• Mikroskop Elektron Pengimbas: JSM-IT810
• Spektrometer Jisim Masa Penerbangan Kromatograf Gas: JMS-T2000GC
• Difraktometer Elektron: XtaLAB Synergy-ED
• SEM penapis tenaga

Yang pertama, JSM-IT810 mempunyai lebih banyak fungsi daripada mikroskop elektron imbasan (SEM) biasa.
Terdapat beberapa alat tambahan di sekeliling ruang (ruang spesimen). Salah satunya ialah EDS (Spektrometer Sinar-X Sebaran Tenaga). Ini membolehkan analisis kualitatif dan kuantitatif, serta pemetaan unsur bagi unsur yang diperhatikan oleh SEM.
Satu lagi lampiran ialah SXES: Spektrometer Pancaran Sinar-X Lembut. SXES membolehkan analisis kepekaan tinggi litium, unsur ringan yang sukar dianalisis dengan EDS, dengan kepekaan tinggi, serta maklumat berkaitan dengan keadaan kimia dan ikatan.

Mikroskop Elektron Pengimbasan Pancaran Medan Schottky JSM-IT810

Keupayaannya untuk analisis operando adalah salah satu ciri JSM-IT810.
Analisis operando ialah pemerhatian langsung terhadap proses sampel yang bergerak.
Secara konkrit, ia dilengkapi dengan pemegang pengecasan dan penyahcasan pilihan, yang membolehkan pengukuran nilai arus semasa pengecasan dan penyahcasan, dan perubahan mikro keadaan sampel pada masa yang sama. Dengan menggunakan fungsi sedemikian, "kami juga berharap dapat mengusahakan pemerhatian in-situ untuk menangkap perubahan antara muka sambil mensimulasikan kitaran pengecasan dan penyahcasan melalui sentuhan elektrod". (Prof. Mori.)

Instrumen kedua, JMS-T200GC ialah "Spektrometer Jisim Masa-Penerbangan Kromatograf Gas". Walau bagaimanapun, ia dilengkapi dengan lebih banyak kaedah pengionan berbanding yang konvensional, dengan ciri membolehkan pengesanan bahan kimia yang sukar diionkan.
Di samping itu, ia dilengkapi dengan perisian analisis kualitatif automatik menggunakan AI, ia menyediakan formula molekul calon bagi bahan kimia dengan ketepatan yang tinggi.

Universiti Metropolitan Osaka merujuknya sebagai "Sistem Analisis Bahan Tidak Diketahui".
Apabila bahan kimia yang tidak dijangka dihasilkan melalui pengecasan dan penyahcasan berulang, sistem ini pasti akan menunjukkan kuasanya dengan mendedahkan sifat sebenar bahan tersebut."

Instrumen keempat, Energy Filter SEM ialah sejenis instrumen spektrometri elektron yang baharu sepenuhnya yang dicadangkan oleh JEOL.
Ia boleh memisahkan dan memperoleh maklumat daripada jalur tenaga yang berbeza, seperti elektron sekunder (di bawah beberapa puluh eV), elektron Auger (daripada beberapa puluh EV hingga beberapa keV), dan elektron berselerak balik (daripada tenaga tinggi yang hampir dengan tenaga elektron datang hingga jalur tenaga rendah yang hampir dengan elektron sekunder) hampir dalam masa nyata, dan kemudian membuat analisis "kemudian untuk melihat komposisi lokasi khusus ini kemudian". Dengan memilih jalur tenaga selepas itu, penyelidik boleh melakukan analisis unsur permukaan sampel (spektroskopi Auger), analisis keadaan kimia dan analisis keadaan elektronik daripada satu ukuran.
Memandangkan sampel yang sama boleh dianalisis secara pelbagai aspek daripada satu ukuran, ia "dijangka menjadi alat yang ampuh dalam penyelesaian masalah" (Prof. Mori).

Bekas presiden melihat melangkaui aplikasi praktikal

Pusat Penyelidikan Bateri Keadaan Pepejal Semua telah ditubuhkan pada Ogos 2020 di bawah Presiden Masahiro Tatsumisago dari Universiti Wilayah Osaka (*5), yang juga merupakan penyelidik bateri keadaan pepejal. Memandangkan pusat ini ditubuhkan dengan jangkaan daripada industri, pusat ini bertujuan untuk pelaksanaan sosial (aplikasi praktikal) sejak awal.
Pada April 2021--kurang daripada setahun selepas penubuhannya--Konsortium untuk Aplikasi Praktikal Bateri Semua Keadaan Pepejal telah dilancarkan terutamanya oleh ahli pusat tersebut, untuk menggalakkan kerjasama dengan industri dan penyelidik pertukaran, sebagai aliran semula jadi.

(*5) Pada April 2022, beliau menjadi presiden pertama Universiti Metropolitan Osaka susulan penggabungan universiti tersebut. Beliau juga pernah berkhidmat sebagai presiden Universiti Bandar Osaka (Apr. 2022-Mac 2025) dan Universiti Wilayah Osaka (Apr. 2023-Mac 2025) untuk operasi bersepadu kedua-dua universiti selagi pelajar masih berdaftar.

Wilayah Kansai menempatkan syarikat-syarikat berkaitan bateri utama seperti Panasonic Energy Co., Ltd. dan GS Yuasa International Ltd. Di sepanjang Teluk Osaka, terdapat banyak kilang bateri litium-ion, pengeluar komponen dan institusi R&D yang tertumpu—sehingga mendapat gelaran "Kansai Battery Bay".
Dengan jangkaan yang kukuh daripada industri, konsortium ini telah berkembang kepada lebih 100 syarikat yang mengambil bahagian setakat April 2026.

Profesor Tatsumisago sering berkata, "penyelidikan fundamental menjadi lebih penting selepas pengkomersialan". Universiti cenderung untuk berpegang pada penyelidikan fundamental dan menghentikan penyelidikan mereka sebaik sahaja aplikasi praktikal dicapai. Tetapi itu tidak menyokong industri Jepun. Memahami apa yang berlaku selepas pengkomersialan dan terus meningkatkan prestasi adalah penting. Saya fikir itulah yang dimaksudkannya." (Profesor Mori.)

Industri mencari kejayaan untuk pengkomersialan, tetapi universiti yang meneruskan penyelidikan asas selepas itu dan membantu meningkatkan prestasi produk mestilah sangat berharga untuk industri.

Produk