大阪公立大学大学院工学研究科应用化学系Akitoshi Hayashi 教授与其 HORIBA LabRAM HR 拉曼光谱仪
随着科学的进步，内燃汽车可能会成为过时产品。电动汽车正在渗透全球市场，推动了对更轻、更紧凑电池的需求。锂离子电池已经改变了游戏规则，尤其是在2019年 Akira Yoshino 博士获得诺贝尔化学奖之后。现在，随着我们对电池性能和安全性的要求越来越高，全固态锂离子电池也受到了越来越多的关注。
2021年10 月，HORIBA 有幸采访到了Akitoshi Hayashi 教授。Hayashi 教授来自大阪公立大学大学院工学研究科。他是固体电解质方面的专家，而固体电解质是提高电池稳定性和效率的关键。他的见解对于我们展望未来的电池技术非常重要。
提及 Hayashi 教授的固态电池研究历程。他说："这一切都始于大阪公立大学前校长——我的导师 Tsutomu Minami 博士。作为一名学生，我加入了他的实验室，激发了我对电池材料研究的兴趣。”
实验室的主要课题之一是离子导电玻璃。现任大阪公立大学校长 Masahiro Tatsumisago 博士当时也在该实验室工作，他们正在制造一种含有银离子的先进玻璃来实现导电性。实验室正在进行的另一个项目是研究一种基于硫化物的先进玻璃的化学结构和机理，以实现固态电池的锂离子导电性。Hayashi教授被先进玻璃能够实现离子导电性这一突破所吸引，因为传统的离子很难在固体材料中移动。
Hayashi 教授说："我对不同材料如何工作以及如何取得相应的性能非常感兴趣。"
硫化物材料比氧化物具有更好的锂离子传导性，这一发现尤其激发了他的研究兴趣。 这使他开始专注于硫化物基固体电池电解质的研究，从此开始了一段令人兴奋和充实的旅程。
通常，玻璃是通过熔化原料然后冷却制成的。然而，对于锂离子含量较高的玻璃来说，在冷却过程中实现玻璃化是一项非常大的挑战。比较突出的全固态电池硫化物电解质之一是锂离子玻璃材料 Li3PS4（LPS）。使用传统方法生产这种玻璃非常困难。 2001年，Hayashi 教授团队取得了重大突破，发表了首篇使用机械化学方法合成 Li3PS4 玻璃的论文。他认为这是固态电池领域的一次创新性飞跃，至今仍影响着他的工作。
机械化学法制备的 Na2S-P2S5 玻璃的拉曼光谱
研究人员需要各种分析工具来表征玻璃材料的化学结构，如红外吸收、拉曼光谱和固态核磁共振（NMR）等。其中拉曼光谱尤为突出，因为它只需用激光照射粉末样品，即可进行直接测量。
固态 NMR 擅长分析特定原子核周围的结构，而拉曼光谱则擅长识别玻璃结构中的各种化学键。相比于 X 射线衍射主要用于分析晶体结构，拉曼光谱则可以有效分析无定形和晶体材料。所以 Hayashi 教授团队使用拉曼光谱来确认机械化学方法得到的玻璃成分是否符合需求。
例如，在研究 Na2S-P2S5 固态电解质时，拉曼光谱可以帮助他观察到材料结构的变化。具体来说，当 Na2S 成分超过 75 mol% 时，他可以检测到 420 cm-1 附近的 PS43- 阴离子峰。这使得拉曼光谱成为分析固体电解质结构特性的关键。
Hayashi 教授特别称赞了HORIBA 拉曼光谱仪，因为它能够处理普通拉曼光谱仪难以解决的荧光干扰等具有挑战性的样品。HORIBA 光谱仪的紫外激光微区分析功能使得他们能够分析特定区域，检测固态电池等复杂样品的局部降解或结构变化，这已经成为他们的分析利器。
自 Hayashi 教授开始探索离子导电性硫化物电解质，并评估其在全固态电池中的应用潜力以来，已经过去了近20年。期间，全球对这些电池的观点已经发生了重大变化。
他说："展望未来，我们需要开发出能利用钠、硫和铁等丰富元素的电池材料。研究的目标应该是使这些材料实用于蓄电池，并与资源的可持续性保持一致。”
目前，日本供应商开始精通于生产硫化物电解质，这是日本的一个显著优势。不过，Hayashi 教授认为研究人员需要解决安全问题，特别是硫化氢的产生。他还认为，另一个关键挑战是创造出性能均衡的固体电解质：良好的大气稳定性、机械强度、电化学稳定性和导电性。
作为一名研究人员，实现全固态电池的商业化将是一个重要的里程碑。即使在实现这一目标之后，Hayashi 教授仍计划与企业合作，继续探索新材料和电池的工艺，以进一步推动性能极限。此外，作为一名大学教授，他认为自己的使命是将当代人的研究热情和知识传授给下一代。他希望自己的工作能够推动全固态电池的发展，并希望日本能够在这一研究领域继续保持领先地位。他将与他的研究小组一起致力于这一事业，并对未来充满期待。
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