【访谈】可贴装全固态二次电池的研发历程

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便携电子设备的普及需要电池进一步发展

随着半导体元器件芯片技术的迅速发展,智能手机和笔记本电脑等便携式电子设备已成为我们生活和工作中不可或缺的一部分,便携式电子设备需要进一步减小尺寸和重量,电池的发展是扩展便携式电子设备使用场景所必不可少的驱动力。

此外,随着全面数据利用的时代到来,要准确地掌握社会基础设施和工厂的运营状况,小型IoT设备收集现场数据并将其传输到数据中心是必不可少的;同时,可穿戴设备有望得以普及并改变我们的健康管理方式,让生活更加充实精彩。电池的进一步发展对于这些物联网和可穿戴设备的普及至关重要。

物联网和可穿戴设备的普及需要电池进一步发展

物联网和可穿戴设备的普及需要电池进一步发展

高性能锂离子二次电池面临挑战

目前,锂离子二次电池被广泛用作便携式电子设备的电池。无论外观如何,智能手机等都会消耗大量电力。锂离子二次电池在小空间内积累大量电力,能够高功率地充电和放电,是目前便携式电子设备使用的无可替代的高性能电池。

但是,为了扩展现有锂离子二次电池在便携式电子设备中的应用,人们强烈需要进一步提高设备中锂离子电池的安全性。

锂离子二次电池的材料构成中含有可燃性液体,并且,当受到外部直接冲击或者电池内部发生短路时,可能导致发热甚至在最坏的情况下发生燃烧。因此,现有电池需要各种限制和保护才能保证其在恶劣环境下的使用。对与人们生活相关的设备和重要资产设备来说,安全性是排在绝对首位的。

为了解决这些问题,世界范围内正在开发全固态电池,以不可燃烧的固体材料代替可燃液体电解质1来提高安全性。

不过,目前追求安全性的全固体电池所使用的固体电解质材料都存在一个共同的缺点,那就是离子在电池内的流动性很差,从而降低了锂离子充电电池的高性能;而已经开发使用的能够获得高输出功率的硫化物型固态电解质材料,与大气接触时,硫化物型材料可能产生有毒气体。

全固态电池推动IoT和可穿戴设备发展

2019年,村田制作所开发出了一种全固态电池,该电池大幅提高可存储电力的同时,还实现了安全性的极大化,有望为实现小型、高性能的物联网和可穿戴设备做出了贡献。该电池原型设备在CEATEC 2019上首次亮相即受到广泛关注,并斩获“ CEATEC AWARD 2019”经济产业大臣奖。

这款电池的开发融合了村田制作所多年积累的多层陶瓷电容器(MLCC)技术中的独特原始材料、工艺和设备。然而,我们了解到它的实际开发历程却非常艰难。为此,我们采访了从事开发工作的Murata工程师,详细了解了村田制作所全固态电池开发的背景,以及研发出来的成品固态电池的特性以及未来发展的方向。

左起:项目负责人 清水,高级经理 熊谷,高级电池工程师 青木

左起:项目负责人 清水,高级经理 熊谷,高级电池工程师 青木


挑战 = 提高安全性 x 改善性能

问:目前,世界各地的公司都在竞争开发“终极”锂离子二次电池(全固态电池)。在这种情况下,村田的目标是什么样的全固态电池?

我们将提高安全性放在首位,并专注于开发适用于IoT和可穿戴应用的高能量密度2全固态电池。
说到全固体电池的应用对象,可能首先会有很多人想到电动汽车。然而,Murata开发的全固态电池与汽车电池不同。

在车用方面,为了应对汽车的快速加速,重视输出性能的离子传导率高的硫化物型材料被广泛研究,而硫化物型材料在电池破损时产生有毒气体等安全性方面还存在问题。确保高安全性是佩戴在人体上的可穿戴设备首要考虑的因素。

因此,在Murata的所有固体电池中,固体电解质采用独特的氧化物型陶瓷材料,从而保证其具有优异的安全性、耐热性和不可燃性。

各种电池面临的挑战

各种电池面临的挑战


一般来说,在氧化物类固体电解质中,提高能量密度和增加容量是一个问题。而IoT/可穿戴设备中,需要从各种传感器收集数据,并无线传输收集的数据,必须保证电池的能量密度,才可以稳定地提供运行这些功能所需的电力。因此,村田制作所的目标就是开发利用已有的材料技术来提高使用氧化物类型固态电解质的电池能量密度和提高容量。

MLCC技术是固态电池安全性和性能的关键

问:使用氧化物材料作为固态电解质时,为什么很难提高能量密度?

不仅是全固态电池,所有电池都一样:为了制造高能量密度的电池,需要增加电池中电极活性材料3的比例。另外,为了获得高输出功率(低电阻),重要的是:

a. 改善电极之间的离子传导

b. 增加电极活性材料与电解质之间的界面附着性

在传统的锂离子二次电池中这些的都不是问题,因为传统锂离子二次电池使用具有高离子电导率的液体电解质。

然而,尽管我们使用的氧化物陶瓷材料具有高安全性,但离子电导率相对较低,并且与活性物质的粘附性也不好,因为它是硬颗粒材料。因此,难以同时实现高能量密度和高输出功率。

村田的MLCC技术

村田的MLCC技术

总结一下我们面对挑战吧:

适合安装在物联网设备和可穿戴设备上的高性能全固态电池要优先考虑安全性,所以选择氧化物陶瓷材料作为电解质,同时希望籍此实现固态电池的大规模生产。

但是传统氧化物陶瓷技术不能带来足够的性能!

目标明确,实现却异常艰难

问:如果将氧化物陶瓷材料用作固体电解质,可以制造出具有高安全性的全固态电池,但是令人失望的传统技术只能生产低性能的电池。村田凭借什么独创性克服了这一困难?

良好的电池性能主要通过三种方法来获得:

a. 开发具有高离子传导性的固体电解质材料

b. 形成致密且薄的电解质层的技术

c. 开发改善电极活性材料与电解质之间的粘附性的方法


这三种提升性能的方法中,形成致密且薄的电解质层是特别困难的任务之一。但是,多年来,村田制作所已经解决并积淀了批量生产多层陶瓷电容器(MLCC)的专有技术。

像所有固态电池一样,MLCC也具有这样类似的结构,即其电极之间的空间填充有介电材料,该介电材料是陶瓷材料。通过创建清洁的陶瓷薄膜并牢固固化的技术,我们能够大规模生产高质量的具有微图案的器件。如果我们将其应用于全固态电池的制造,我们认为我们可以解决技术上最困难的部分。

问:既然是MLCC工艺可以应用于村田的全固态电池中,你们是从一开始就应用该技术去解决预期的问题吗?

虽然我们召集了全固态电池专家和MLCC专家启动开发项目,但是发现实际研发并不容易。

我们采用了一种称为“烧制”的工艺,集成用于制造MLCC的片状叠层结构,用以制造全固态电池。因为MLCC具有比所有固态电池更精细结构,而MLCC可以毫无问题地完成,所以我们开始以为所有固态电池都可以很容易地制造出来。

然而,烧制是一个非常精细的过程,电池的性能会根据条件发生很大变化,因此制作高质量电池非常困难。这有一个根本原因,那就是虽然处理的是类似的陶瓷材料,但MLCC的介质和全固态电池的固态电解质具有影响整个设备性能和质量的不同参数。因此, MLCC工艺制程需要为所有固态电池做调整。

产品研发历程

产品研发历程

MLCC技术对全固态电子制造进行了改进

问:连接全固态电池中正负极的固体电解质和MLCC中夹在电极之间的电介质是相同的陶瓷材料,但其电气作用完全不同。鉴于技术上的差异,你们是如何尝试解决该问题的?

我们将MLCC的制造技术和电池相关知识相结合,对材料、工艺、制造设备分别进行磨合、修正、改善。

但是,全固态电池专家并不熟悉MLCC的制造技术,而MLCC专家也没有详细了解电池特定行为。因此,开发项目的成员之间进行了彻底讨论并重复多次反复试验,我们才能够通过探索电池性能和质量兼容的条件来达到所有固态电池的目标。

高安全性 x 高能量密度:IoT/便携设备应用

问:使用了村田公司专有的MLCC制造技术成功开发的全固态电池有什么特点?

与迄今为止宣布的氧化物型全固体电池相比,我们能够实现10~100倍的能量密度。即使是4mm×5mm×9mm的小型电池,也可以实现蓝牙LE无线传输数据所需的10mA强的输出。

在原型中,我们已经确认最大容量可以达到10mAh,这可以取代用于无线耳机电源的现有锂离子二次电池。此外,由于它的设计可以获得与3.8现有锂离子二次电池相同的输出电压,因此可以方便地将其结合到电子设备中。

迄今为止,“难于增加容量”一直是氧化物固态电池一个主要弱点。所以在CEATEC 2019上看到原型的人都非常惊讶于看到如此大容量、却又小而精确的电池。

问:也就是说村田的全固态电池能够在小尺寸、轻便和大容量之间取得平衡,因此可以促进高附加值物联网和可穿戴设备的开发?

村田全固态电池的特点不仅仅体现在高能量密度上。由于使用的氧化物材料具有很高的耐热性,因此它可以在高温环境下运行,也可以通过回流焊4表面安装在印刷电路板上。

电池高温下运行的能力还能够保障IoT设备和其他设备可以在更恶劣的环境中使用。比如,我们相信这项技术适合与能量收集5技术一起使用。能量收集技术将周围环境中固有的光、温差、振动和其他能量转换为电能,并作为工作电源。通常,使用能量收集的设备都安装在室外这样的恶劣的环境中。

由于可以进行回流组装,不需要后期再安装电池,从而可降低设备生产成本。另外,还可以将小的电池嵌入在没有部件的印刷电路板空间,减小安装面积。

长时间佩戴的可穿戴设备,需要采用设计精美的外壳。然而常规电池必须预先准备用于安装电池的空间,大大限制壳体设计的自由度。使用新开发的电池,可以优先考虑外壳设计,并将电池放置在半导体和电子元件之间的间隙中。

具有集成无线充电功能的全固态电池模块

具有集成无线充电功能的全固态电池模块

针对不同应用领域继续进行优化

问:村田在未来将如何继续发展全固态电池技术,如何针对各个应用领域进行了优化?

实际上,这次开发的技术具有在进一步开发全固态电池方面将具有的优势。迄今为止,在所有已开发的固态电池中,用于正电极和负电极的材料与固体电解质的组合都要具有兼容性。其结果是无法根据所需特性去选择匹配材料。

相比之下,村田制作所的技术可自由选择构成电池的材料。因此,我们认为可以轻松创建派生版本,例如更改输出电压,创建强调使用寿命和性能的电池。当然,也可以追求进一步的小型化和更高的性能。

我们还想考虑使用除当前使用的锂离子以外的其他物质作为在电池内部累积电荷的介质。这将需要重新考虑其他组件,例如固体电解质。

村田制作所还拥有制造电池以外的各种电子零件的技术。通过利用全固态电池的高基板安装性,可以制造与电池控制电路、无线电源电路、通信天线和各种传感器集成在一起的电池模块。我们可以为各种应用程序提供优化的解决方案,例如功能和性能。

当然,我们希望在应用端极大地扩展物联网和可穿戴设备的使用场景。村田制作所实现的全固态电池可以在确保高安全性的同时进一步促进便携式电子设备的小型化和大容量化。适用于工厂、道路基础设施等恶劣环境,可安装在长期佩戴的可穿戴设备上,或者用于数据收集的IoT设备。

村田制作所的全固态电池的发展才刚刚开始。1991年锂离子可充电电池商业化时,其能量密度仅为当今的三分之一。我们认为此次开发的全固态电池还将得到进一步的研究和改进,并将取得长足的进步。

(注:村田全固态电池目前暂未向中国市场出售.)


▐ 访谈中的备注:
*1:二次电池是可以充电和放电的电池,内部是在正极和负极之间交换电荷的介质(锂离子二次电池为锂离子)移动的路径。该物质称为电解质。

*2:能量密度是指示每个二次电池体积和重量可以存储的电量的指标。单位是Wh / L(关注体积时的单位)或Wh / kg(关注重量时的单位)。具有高能量密度的电池将能够存储更多的电量,同时体积更小,重量更轻。结果,将有可能创建配备了更高级电子功能的易于使用的便携式设备。

*3:活性材料是指在构成电极的材料之间直接交换电荷的材料。

*4:回流是将电子元件焊接到电子设备装配线中印刷电路板上的一种工艺。必要的电子元件放在预先涂在板上的奶油状焊料上,然后在熔炉中加热以融化焊料,以便将电路板和电子元件连接在一起。

*5:能量收集是一种技术,该技术最初将使用电能的电子设备所用场所周围环境中的能量转换为电能,并将其用作电源。它用于本地生产和本地用电,不需要更换电池或为电池充电,因此可以创建免维护的电子设备。最受欢迎的能源是光,它通过太阳能电池转换为电能。已经提出了利用道路振动,开关按压力,温度差,在空中飞行的无线电波等作为能源的其他技术。但是,现场可获取的电力通常很小且不稳定,因此有必要在必要时对电池进行充电并稳定地供电。

关于村田

株式会社村田制作所是一家进行基于陶瓷的无源电子元件与解决方案、通信模块和电源模块之设计、制造与销售的全球领先企业。村田致力于开发先进的电子材料以及领先的多功能和高密度模块。公司的员工和制造基地遍布世界各地。

文章来源:Murata村田中国

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