推动IoT设备应用场景的扩大和可穿戴设备的升级 村田的氧化物全固态电池(前篇)

2020-09-25 09:06:11 深圳市创新易电子科技有限公司

力求实现移动电子设备的进一步升级

随着半导体和芯片元件等的飞速升级,智能手机和笔记本电脑等移动电子设备已经成为我们在日常生活和工作中必不可少的工具。其中,电池的升级对于移动电子设备应用场景的扩大来说尤其是不可或缺的源动力。


面对即将正式到来的数据化社会,移动电子设备需进一步实现小型轻量化。要想准确把握社会基础设施和工厂等的运作情况,就必须用到收集现场数据并将数据传送到数据中心的小型IoT设备。此外,为维持健康的身体、实现富足的生活,可穿戴设备的普及也备受期待。这些IoT、可穿戴设备的普及都离不开电池的进一步升级。

纽扣电池

高性能锂离子电池同样面临着难题

目前,移动电子设备的电池中使用率最高的是锂离子电池。智能手机等虽然体积小巧,但却极其耗电。可在较小的空间里储存较多电量,并通过高输出充放电的锂离子电池对于移动电子设备来说是不可取代的高性能电池。


然而,就目前的锂离子电池而言,为了扩大移动电子设备的应用范围,当务之急是进一步提高其安全性。这是因为,组成锂离子电池的材料中含有可燃液体。并且,一旦受到来自外界的冲击、电池内部发生短路,电池就会发热,最严重时甚至可能会起火。因此,在严峻的环境下,以及在涉及人身安全和管理重要资产的设备中使用时,必须采取各种限制和保护措施。


为了解决这些难题,将原为可燃液体的电解质*1)转换为不燃固态材料,以提高安全性的全固态电池的开发工作正在全世界范围内展开。然而,以往追求安全性的全固态电池中所使用的固态电解质材料存在着离子难以流经电池内部,从而削减锂离子电池的高性能的缺陷。在固态电解质方面,可获得高输出的硫化物电解质材料的开发工作虽在进行当中,但硫化物材料却存在接触大气时可能产生有毒气体的隐患。


*1)在可充放电的蓄电池的内部,对于在正负极之间传递电荷的载体(锂离子电池的载体为锂离子)起到移动通道作用的物质被称为电解质。


力求开发推动IoT和可穿戴设备的进一步升级的全固态电池

村田制作所(以下称为“村田”)为协助实现小型、高性能的IoT和可穿戴设备,正在进行将确保安全性放在第一位并最大限度地提高可储存电量的全固态电池的开发工作。为了实现这一目标,村田正在运用长年以来积累的多层陶瓷电容器(MLCC)技术,力求开发出独家的材料、工序和装置技术。


并且,村田已于2019年成功地开发出了拥有行业超高性能水准的全固态电池。该全固态电池的原型已在CEATEC 2019中公开亮相,并荣获了“CEATEC AWARD 2019”的经济产业大臣奖,受到各界地广泛瞩目。


结合独家材料技术和MLCC技术,同时实现安全性和高性能

村田开发的全固态电池蕴藏了扩大移动电子设备应用场景的可能性,是一项极具影响力的技术。然而,实现这一技术的路途却并不平坦。对此,我们向负责开发工作的村田的工程师们询问了开发的经过、全固态电池成品的优点以及今后的发展方向。

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左起:项目组长清水、高级管理负责人熊谷、高级电池工程师青木

同时提高安全性与性能的难题

目前,全世界的企业都在竞争着开发全固态电池这一终极形态的锂离子电池。在这种情况下,村田的目标是开发出怎样的全固态电池呢?


我们将安全性的提升放在首要位置,正在致力于开发适用于IoT和可穿戴设备的、具有高能量密度*2)的全固态电池。


*2)能量密度即表示蓄电池单位容积或重量内可储蓄电量的指标。能量密度的单位为Wh/ L(侧重容积时的单位)或Wh/kg(侧重重量时的单位)。如果电池的能量密度较高,就可以在实现小型、轻量的同时储蓄更多电量。进而使安装有更高性能的电子设备、便于使用的移动设备的制造成为可能。


提到全固态电池的应用领域,很多人可能会首先想到电力汽车。但村田正在开发的全固态电池却不同于汽车中使用的电池。

就用于汽车的全固态电池而言,由于需要应对例如汽车突然加速等情况,所以普遍会考虑采用注重输出性的离子传导率较高的硫化物材料,但这就需要解决硫化物材料在电池破损时会产生有毒气体这一安全隐患。高安全性的确保对于佩戴在人体身上的可穿戴设备来说也非常重要。

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各类电池面临的难题

针对上述情况,村田的全固态电池中的固态电解质采用了安全性较高、具备耐热性、不燃性的独家氧化物陶瓷材料。氧化物固态电解质通常面临着增加能量密度、实现大容量化的难题。IoT和可穿戴设备必须具备从各种传感器中收集数据,并通过无线传输收集的数据的功能。要运行这些功能,就需要实现可稳定提供必要电量的能量密度。为此,村田正在运用已开发的材料,进行着增加能量密度、实现大容量化的开发工作。

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村田的MLCC技术

同时实现全固态电池的安全性和性能的关键在于MLCC技术

将氧化物材料用作固态电解质时,为什么难以增加能量密度呢?


不仅是全固态电池,制造高能量密度的电池时都必须增加电池内部的电极活性物质*3)的比例。并且,为了实现高输出(低电阻),①提高电极间的离子传输效率、②提高电极活性物质和电解质的界面附着性这两点也是非常重要的。传统的锂离子电池中采用了离子传导率较高的液体电解质,所以不存在任何问题。但是,我们使用的氧化物陶瓷材料虽然具有较高的安全性,但离子传导率却相对较低。并且,由于这种材料呈较硬的粒子状,因此和活性物质的附着性也不理想。所以就难以同时实现高能量密度和高输出。


*3)活性物质即构成电极的物质中直接传递电荷的物质。

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