便攜電子設(shè)備的普及需要電池進(jìn)一步發(fā)展

隨著半導(dǎo)體元器件芯片技術(shù)的迅速發(fā)展，智能手機(jī)和筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備已成為我們生活和工作中不可或缺的一部分，便攜式電子設(shè)備需要進(jìn)一步減小尺寸和重量，電池的發(fā)展是擴(kuò)展便攜式電子設(shè)備使用場景所必不可少的驅(qū)動(dòng)力。

此外，隨著全面數(shù)據(jù)利用的時(shí)代到來，要準(zhǔn)確地掌握社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施和工廠的運(yùn)營狀況，小型IoT設(shè)備收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心是必不可少的；同時(shí)，可穿戴設(shè)備有望得以普及并改變我們的健康管理方式，讓生活更加充實(shí)精彩。電池的進(jìn)一步發(fā)展對于這些物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備的普及至關(guān)重要。

物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備的普及需要電池進(jìn)一步發(fā)展

高性能鋰離子二次電池面臨挑戰(zhàn)

目前，鋰離子二次電池被廣泛用作便攜式電子設(shè)備的電池。無論外觀如何，智能手機(jī)等都會(huì)消耗大量電力。鋰離子二次電池在小空間內(nèi)積累大量電力，能夠高功率地充電和放電，是目前便攜式電子設(shè)備使用的無可替代的高性能電池。

但是，為了擴(kuò)展現(xiàn)有鋰離子二次電池在便攜式電子設(shè)備中的應(yīng)用，人們強(qiáng)烈需要進(jìn)一步提高設(shè)備中鋰離子電池的安全性。

鋰離子二次電池的材料構(gòu)成中含有可燃性液體，并且，當(dāng)受到外部直接沖擊或者電池內(nèi)部發(fā)生短路時(shí)，可能導(dǎo)致發(fā)熱甚至在最壞的情況下發(fā)生燃燒。因此，現(xiàn)有電池需要各種限制和保護(hù)才能保證其在惡劣環(huán)境下的使用。對與人們生活相關(guān)的設(shè)備和重要資產(chǎn)設(shè)備來說，安全性是排在絕對首位的。

為了解決這些問題，世界范圍內(nèi)正在開發(fā)全固態(tài)電池，以不可燃燒的固體材料代替可燃液體電解質(zhì)1來提高安全性。

不過，目前追求安全性的全固體電池所使用的固體電解質(zhì)材料都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，那就是離子在電池內(nèi)的流動(dòng)性很差，從而降低了鋰離子充電電池的高性能；而已經(jīng)開發(fā)使用的能夠獲得高輸出功率的硫化物型固態(tài)電解質(zhì)材料，與大氣接觸時(shí)，硫化物型材料可能產(chǎn)生有毒氣體。

全固態(tài)電池推動(dòng)IoT和可穿戴設(shè)備發(fā)展

2019年，村田制作所開發(fā)出了一種全固態(tài)電池，該電池大幅提高可存儲電力的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了安全性的極大化，有望為實(shí)現(xiàn)小型、高性能的物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備做出了貢獻(xiàn)。該電池原型設(shè)備在CEATEC 2019上首次亮相即受到廣泛關(guān)注，并斬獲“ CEATEC AWARD 2019”經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)大臣獎(jiǎng)。

這款電池的開發(fā)融合了村田制作所多年積累的多層陶瓷電容器（MLCC）技術(shù)中的獨(dú)特原始材料、工藝和設(shè)備。然而，我們了解到它的實(shí)際開發(fā)歷程卻非常艱難。為此，我們采訪了從事開發(fā)工作的Murata工程師，詳細(xì)了解了村田制作所全固態(tài)電池開發(fā)的背景，以及研發(fā)出來的成品固態(tài)電池的特性以及未來發(fā)展的方向。

左起：項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 清水，高級經(jīng)理 熊谷，高級電池工程師 青木

挑戰(zhàn) = 提高安全性 x 改善性能

問：目前，世界各地的公司都在競爭開發(fā)“終極”鋰離子二次電池（全固態(tài)電池）。在這種情況下，村田的目標(biāo)是什么樣的全固態(tài)電池？

我們將提高安全性放在首位，并專注于開發(fā)適用于IoT和可穿戴應(yīng)用的高能量密度2全固態(tài)電池。

說到全固體電池的應(yīng)用對象，可能首先會(huì)有很多人想到電動(dòng)汽車。然而，Murata開發(fā)的全固態(tài)電池與汽車電池不同。

在車用方面，為了應(yīng)對汽車的快速加速，重視輸出性能的離子傳導(dǎo)率高的硫化物型材料被廣泛研究，而硫化物型材料在電池破損時(shí)產(chǎn)生有毒氣體等安全性方面還存在問題。確保高安全性是佩戴在人體上的可穿戴設(shè)備首要考慮的因素。

因此，在Murata的所有固體電池中，固體電解質(zhì)采用獨(dú)特的氧化物型陶瓷材料，從而保證其具有優(yōu)異的安全性、耐熱性和不可燃性。

各種電池面臨的挑戰(zhàn)

一般來說，在氧化物類固體電解質(zhì)中，提高能量密度和增加容量是一個(gè)問題。而IoT/可穿戴設(shè)備中，需要從各種傳感器收集數(shù)據(jù)，并無線傳輸收集的數(shù)據(jù)，必須保證電池的能量密度，才可以穩(wěn)定地提供運(yùn)行這些功能所需的電力。因此，村田制作所的目標(biāo)就是開發(fā)利用已有的材料技術(shù)來提高使用氧化物類型固態(tài)電解質(zhì)的電池能量密度和提高容量。

MLCC技術(shù)是固態(tài)電池安全性和性能的關(guān)鍵

問：使用氧化物材料作為固態(tài)電解質(zhì)時(shí)，為什么很難提高能量密度？

不僅是全固態(tài)電池，所有電池都一樣：為了制造高能量密度的電池，需要增加電池中電極活性材料3的比例。另外，為了獲得高輸出功率（低電阻），重要的是：

a. 改善電極之間的離子傳導(dǎo)

b. 增加電極活性材料與電解質(zhì)之間的界面附著性

在傳統(tǒng)的鋰離子二次電池中這些的都不是問題，因?yàn)閭鹘y(tǒng)鋰離子二次電池使用具有高離子電導(dǎo)率的液體電解質(zhì)。

然而，盡管我們使用的氧化物陶瓷材料具有高安全性，但離子電導(dǎo)率相對較低，并且與活性物質(zhì)的粘附性也不好，因?yàn)樗怯差w粒材料。因此，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能量密度和高輸出功率。

村田的MLCC技術(shù)

總結(jié)一下我們面對挑戰(zhàn)吧：

適合安裝在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和可穿戴設(shè)備上的高性能全固態(tài)電池要優(yōu)先考慮安全性，所以選擇氧化物陶瓷材料作為電解質(zhì)，同時(shí)希望籍此實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的大規(guī)模生產(chǎn)。

但是傳統(tǒng)氧化物陶瓷技術(shù)不能帶來足夠的性能！

目標(biāo)明確，實(shí)現(xiàn)卻異常艱難

問：如果將氧化物陶瓷材料用作固體電解質(zhì)，可以制造出具有高安全性的全固態(tài)電池，但是令人失望的傳統(tǒng)技術(shù)只能生產(chǎn)低性能的電池。村田憑借什么獨(dú)創(chuàng)性克服了這一困難？

良好的電池性能主要通過三種方法來獲得：

a. 開發(fā)具有高離子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)材料

b. 形成致密且薄的電解質(zhì)層的技術(shù)

c. 開發(fā)改善電極活性材料與電解質(zhì)之間的粘附性的方法

這三種提升性能的方法中，形成致密且薄的電解質(zhì)層是特別困難的任務(wù)之一。但是，多年來，村田制作所已經(jīng)解決并積淀了批量生產(chǎn)多層陶瓷電容器（MLCC）的專有技術(shù)。

像所有固態(tài)電池一樣，MLCC也具有這樣類似的結(jié)構(gòu)，即其電極之間的空間填充有介電材料，該介電材料是陶瓷材料。通過創(chuàng)建清潔的陶瓷薄膜并牢固固化的技術(shù)，我們能夠大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的具有微圖案的器件。如果我們將其應(yīng)用于全固態(tài)電池的制造，我們認(rèn)為我們可以解決技術(shù)上最困難的部分。

問：既然是MLCC工藝可以應(yīng)用于村田的全固態(tài)電池中，你們是從一開始就應(yīng)用該技術(shù)去解決預(yù)期的問題嗎？

雖然我們召集了全固態(tài)電池專家和MLCC專家啟動(dòng)開發(fā)項(xiàng)目，但是發(fā)現(xiàn)實(shí)際研發(fā)并不容易。

我們采用了一種稱為“燒制”的工藝，集成用于制造MLCC的片狀疊層結(jié)構(gòu)，用以制造全固態(tài)電池。因?yàn)镸LCC具有比所有固態(tài)電池更精細(xì)結(jié)構(gòu)，而MLCC可以毫無問題地完成，所以我們開始以為所有固態(tài)電池都可以很容易地制造出來。

然而，燒制是一個(gè)非常精細(xì)的過程，電池的性能會(huì)根據(jù)條件發(fā)生很大變化，因此制作高質(zhì)量電池非常困難。這有一個(gè)根本原因，那就是雖然處理的是類似的陶瓷材料，但MLCC的介質(zhì)和全固態(tài)電池的固態(tài)電解質(zhì)具有影響整個(gè)設(shè)備性能和質(zhì)量的不同參數(shù)。因此， MLCC工藝制程需要為所有固態(tài)電池做調(diào)整。

產(chǎn)品研發(fā)歷程

MLCC技術(shù)對全固態(tài)電子制造進(jìn)行了改進(jìn)

問：連接全固態(tài)電池中正負(fù)極的固體電解質(zhì)和MLCC中夾在電極之間的電介質(zhì)是相同的陶瓷材料，但其電氣作用完全不同。鑒于技術(shù)上的差異，你們是如何嘗試解決該問題的？

我們將MLCC的制造技術(shù)和電池相關(guān)知識相結(jié)合，對材料、工藝、制造設(shè)備分別進(jìn)行磨合、修正、改善。

但是，全固態(tài)電池專家并不熟悉MLCC的制造技術(shù)，而MLCC專家也沒有詳細(xì)了解電池特定行為。因此，開發(fā)項(xiàng)目的成員之間進(jìn)行了徹底討論并重復(fù)多次反復(fù)試驗(yàn)，我們才能夠通過探索電池性能和質(zhì)量兼容的條件來達(dá)到所有固態(tài)電池的目標(biāo)。

高安全性 x 高能量密度：IoT/便攜設(shè)備應(yīng)用

問：使用了村田公司專有的MLCC制造技術(shù)成功開發(fā)的全固態(tài)電池有什么特點(diǎn)？

與迄今為止宣布的氧化物型全固體電池相比，我們能夠?qū)崿F(xiàn)10~100倍的能量密度。即使是4mm×5mm×9mm的小型電池，也可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙LE無線傳輸數(shù)據(jù)所需的10mA強(qiáng)的輸出。

在原型中，我們已經(jīng)確認(rèn)最大容量可以達(dá)到10mAh，這可以取代用于無線耳機(jī)電源的現(xiàn)有鋰離子二次電池。此外，由于它的設(shè)計(jì)可以獲得與3.8現(xiàn)有鋰離子二次電池相同的輸出電壓，因此可以方便地將其結(jié)合到電子設(shè)備中。

迄今為止，“難于增加容量”一直是氧化物固態(tài)電池一個(gè)主要弱點(diǎn)。所以在CEATEC 2019上看到原型的人都非常驚訝于看到如此大容量、卻又小而精確的電池。

問：也就是說村田的全固態(tài)電池能夠在小尺寸、輕便和大容量之間取得平衡，因此可以促進(jìn)高附加值物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備的開發(fā)？

村田全固態(tài)電池的特點(diǎn)不僅僅體現(xiàn)在高能量密度上。由于使用的氧化物材料具有很高的耐熱性，因此它可以在高溫環(huán)境下運(yùn)行，也可以通過回流焊4表面安裝在印刷電路板上。

電池高溫下運(yùn)行的能力還能夠保障IoT設(shè)備和其他設(shè)備可以在更惡劣的環(huán)境中使用。比如，我們相信這項(xiàng)技術(shù)適合與能量收集5技術(shù)一起使用。能量收集技術(shù)將周圍環(huán)境中固有的光、溫差、振動(dòng)和其他能量轉(zhuǎn)換為電能，并作為工作電源。通常，使用能量收集的設(shè)備都安裝在室外這樣的惡劣的環(huán)境中。

由于可以進(jìn)行回流組裝，不需要后期再安裝電池，從而可降低設(shè)備生產(chǎn)成本。另外，還可以將小的電池嵌入在沒有部件的印刷電路板空間，減小安裝面積。

長時(shí)間佩戴的可穿戴設(shè)備，需要采用設(shè)計(jì)精美的外殼。然而常規(guī)電池必須預(yù)先準(zhǔn)備用于安裝電池的空間，大大限制殼體設(shè)計(jì)的自由度。使用新開發(fā)的電池，可以優(yōu)先考慮外殼設(shè)計(jì)，并將電池放置在半導(dǎo)體和電子元件之間的間隙中。

具有集成無線充電功能的全固態(tài)電池模塊

針對不同應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化

問：村田在未來將如何繼續(xù)發(fā)展全固態(tài)電池技術(shù)，如何針對各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了優(yōu)化？

實(shí)際上，這次開發(fā)的技術(shù)具有在進(jìn)一步開發(fā)全固態(tài)電池方面將具有的優(yōu)勢。迄今為止，在所有已開發(fā)的固態(tài)電池中，用于正電極和負(fù)電極的材料與固體電解質(zhì)的組合都要具有兼容性。其結(jié)果是無法根據(jù)所需特性去選擇匹配材料。

相比之下，村田制作所的技術(shù)可自由選擇構(gòu)成電池的材料。因此，我們認(rèn)為可以輕松創(chuàng)建派生版本，例如更改輸出電壓，創(chuàng)建強(qiáng)調(diào)使用壽命和性能的電池。當(dāng)然，也可以追求進(jìn)一步的小型化和更高的性能。

我們還想考慮使用除當(dāng)前使用的鋰離子以外的其他物質(zhì)作為在電池內(nèi)部累積電荷的介質(zhì)。這將需要重新考慮其他組件，例如固體電解質(zhì)。

村田制作所還擁有制造電池以外的各種電子零件的技術(shù)。通過利用全固態(tài)電池的高基板安裝性，可以制造與電池控制電路、無線電源電路、通信天線和各種傳感器集成在一起的電池模塊。我們可以為各種應(yīng)用程序提供優(yōu)化的解決方案，例如功能和性能。

當(dāng)然，我們希望在應(yīng)用端極大地?cái)U(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備的使用場景。村田制作所實(shí)現(xiàn)的全固態(tài)電池可以在確保高安全性的同時(shí)進(jìn)一步促進(jìn)便攜式電子設(shè)備的小型化和大容量化。適用于工廠、道路基礎(chǔ)設(shè)施等惡劣環(huán)境，可安裝在長期佩戴的可穿戴設(shè)備上，或者用于數(shù)據(jù)收集的IoT設(shè)備。

村田制作所的全固態(tài)電池的發(fā)展才剛剛開始。1991年鋰離子可充電電池商業(yè)化時(shí)，其能量密度僅為當(dāng)今的三分之一。我們認(rèn)為此次開發(fā)的全固態(tài)電池還將得到進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，并將取得長足的進(jìn)步。

（注：村田全固態(tài)電池目前暫未向中國市場出售。）

訪談中的備注：

*1：二次電池是可以充電和放電的電池，內(nèi)部是在正極和負(fù)極之間交換電荷的介質(zhì)（鋰離子二次電池為鋰離子）移動(dòng)的路徑。該物質(zhì)稱為電解質(zhì)。

*2：能量密度是指示每個(gè)二次電池體積和重量可以存儲的電量的指標(biāo)。單位是Wh / L（關(guān)注體積時(shí)的單位）或Wh / kg（關(guān)注重量時(shí)的單位）。具有高能量密度的電池將能夠存儲更多的電量，同時(shí)體積更小，重量更輕。結(jié)果，將有可能創(chuàng)建配備了更高級電子功能的易于使用的便攜式設(shè)備。

*3：活性材料是指在構(gòu)成電極的材料之間直接交換電荷的材料。

*4：回流是將電子元件焊接到電子設(shè)備裝配線中印刷電路板上的一種工藝。必要的電子元件放在預(yù)先涂在板上的奶油狀焊料上，然后在熔爐中加熱以融化焊料，以便將電路板和電子元件連接在一起。

*5：能量收集是一種技術(shù)，該技術(shù)最初將使用電能的電子設(shè)備所用場所周圍環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換為電能，并將其用作電源。它用于本地生產(chǎn)和本地用電，不需要更換電池或?yàn)殡姵爻潆?，因此可以?chuàng)建免維護(hù)的電子設(shè)備。最受歡迎的能源是光，它通過太陽能電池轉(zhuǎn)換為電能。已經(jīng)提出了利用道路振動(dòng)，開關(guān)按壓力，溫度差，在空中飛行的無線電波等作為能源的其他技術(shù)。但是，現(xiàn)場可獲取的電力通常很小且不穩(wěn)定，因此有必要在必要時(shí)對電池進(jìn)行充電并穩(wěn)定地供電。