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(后篇)

2020-09-25 09:10:46 深圳市创新易电子科技有限公司

在前篇中,我们谈到了为实现适用于IoT设备及可穿戴设备,且兼备安全性和高性能的全固态电池的实际应用,村田制作所(以下称为“村田”)所开展的工作经过。村田将安全性放在第一位,选用氧化物陶瓷材料作为电解质*1),以求实现全固态电池的实际应用与批量生产,但凭借以往的技术,还无法使全固态电池完全发挥性能。在后篇中,我们向负责开发工作的工程师们询问了他们如何解决了棘手的难题,以及成功开发出的全固态电池的优点和今后利用其优点的发展方向。


*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。


开发方针十分明确,但实践之路却困难重重

虽然将氧化物陶瓷材料用作固态电解质可以制造出安全性较高的全固态电池,但依靠传统技术却只能实现较低的性能这一现状令人十分困扰。那么村田是采取怎样的措施攻克了这一难关的呢?


我们主要通过“离子传导率较高的固态电解质材料的开发”、“精密轻薄的电解质层形成技术”、“提高电极活性物质和电解质附着性的工序开发”这三个方面成功实现了良好的特性。其中比较困难的是精密轻薄的电解质层的形成,但通过村田长年积累的多层陶瓷电容器(MLCC)的批量生产技术和专业知识,这一点也已经得到了解决。MLCC和全固态电池一样,都是在电极之间添加陶瓷材料导电体的构造。通过制作并紧固精致的陶瓷薄膜的技术,我们现在已经能够批量生产高品质的具有精细图案的元件。我们认为,只要将这一技术运用于全固态电池的制造中,就可以解决技术方面最大的难题。


我们已经知道村田的全固态电池中采用了MLCC的工艺,那么起初在运用这项技术时,是否如设想的那样顺利解决了难题呢?


为了进行开发,我们集结了全固态电池和MLCC方面的专家,确立了开发项目。但实际情况却并没有难么简单。


在制造全固态电池时,我们运用了制造MLCC时将片状多层构造一体化的“烧结”工艺。因为在MLCC方面我们已经成功开发出了构造比全固态电池更精密的产品,所以认为全固态电池的制造也会很轻松。然而,烧结会根据具体条件使电池性能发生很大的变化,是一道需要小心处理的工序,因此为制造出高品质的电池,我们花费了相当大的工夫。


这是有其根本原因的。虽然使用了同样的陶瓷材料,但MLCC的导电体和全固态电池的固态电解质中,影响设备整体性能和质量的参数却有所不相同。所以就需要调试MLCC的工艺,以使其适用于全固态电池。

纽扣电池

改良针对MLCC的技术,使其适用于全固态电池的制造

也就是说,全固态电池中连接正负极的固态电解质和MLCC中夹在电极之间的导电体虽然同样都是陶瓷材料,但在电能方面的作用却完全不同吗?在不进行尝试就无法实际了解技术方面的差异的情况下,你们是如何解决问题的呢?


我们将MLCC的制造技术与电池方面的知识相结合,对材料、工艺和制造设备分别进行对比和修正,并进行了相应的改善。但问题在于,全固态电池方面的专家并不熟悉MLCC的制造技术,而MLCC方面的专家也不能具体理解电池固有的工作原理。为此,开发项目的组员们展开了透彻的讨论,并反复多次进行尝试,摸索兼顾电池性能和质量的条件,终于成功开发出了理想的全固态电池。


对于兼备高安全性和高能量密度性能的成就感

村田不仅运用了其独家的MLCC制造技术,还进一步成功开发出了全固态电池固有的制造技术。那么,已开发的全固态电池具有怎样的优点呢?


与以往公开的氧化物全固态电池相比,全新的全固态电池实现了10到100倍的能量密度*2)。即使是4 mm × 5 mm × 9 mm的小型电池,也可以实现通过Bluetooth IE进行的数据无线传输所需要的10 mA多的输出电流。在产品原型中,我们已经确认了容量最大可达到数10 mAh,以这一容量,还可以将其用来替换无线耳机电源所使用的现有的锂离子电池。并且,全固态电池的设计可使其获得与现有的锂离子电池等量的3.8V的输出电压,所以非常便于组装到电子设备中。


*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、轻量的同时提供更多的电量。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。


一直以来,人们对于氧化物全固态电池的评价通常都是“难以实现大容量化”。所以,在CEATEC 2019看到产品原型的人们都非常惊讶于竟有如此小巧、大容量且可以精确运作的全固态电池问世。


有助实现坚固耐用的IoT和具有魅力的可穿戴设备

兼顾小型轻量和大容量的目标有望实现之后,似乎也就可以推动附加价值较高的IoT、可穿戴设备的开发工作了呢。


已完成的全固态电池不只具有高能量密度这一个优点。由于其中使用的氧化物材料耐热性较强,因此全固态电池还可以在高温环境下运作,或通过回流焊接*3)贴装到印制电路板表面。


*3)回流焊接即将电子元件焊接到电子设备组装生产线中的印制电路板上的工序种类之一。其具体步骤为:在电路板预先涂好的膏状焊料上放上需要焊接的电子元件,然后进炉加热,使焊料溶化,以将电路板和电子元件一次性连接到一起。


由于全固态电池可在高温下正常工作,因此就可以将IoT设备等放在更为严峻的环境中。除此之外,我们认为全固态电池还适合与将光、温差、振动等周边环境中存在的能量转换为电能,并用作电源的能量收集*4)技术同时使用。这是因为今后运用能量收集技术的设备将被更普遍地放置于室外等严峻的环境中。


*4)能量收集是将在使用电能的电子设备的周围环境中原本存在的能量转换为电能,并作为电源使用的技术。由于能量收集可自行产生并消耗电能,无需交换电池或再次充电,因此就可以制造无需维护的电子设备。最常使用的能源为光能,通过使用太阳能电池,可将光能转换为电能。除此之外,还有将道路的振动、按下开关时用的力、气温差、空中的电波等作为能源使用的技术提议。但是,在现场可以调用的电能通常较微弱且不够稳定,因此必须对电池进行充电,以保证在需要时可以提供稳定的电能。


此外,由于在组装时可以利用回流焊接,从而免去了事后仅安装电池的工序,有助于减少设备的制造成本。而且还可以将小型电池安装到印制电路板上没有贴装任何元件的空闲区域,有望减少贴装面积。


在经常佩戴在身上使用的可穿戴设备方面,推广普及率的条件之一是使用吸引人的外形设计。但是,以往的电池需要预先备好安装电池的空间,这就限制了外形设计的自由度。而如果使用全新开发的电池,就可以优先外形设计,并将电池配置在半导体和电子元件的空隙中。

纽扣电池

无线充电一体化全固态电池模块

适用于多种领域

今后,村田希望实现全固态电池怎样的发展和升级呢?


事实上,这次开发的技术具备了对实现全固态电池的进一步发展非常有利的优点。到目前为止开发出的许多全固态电池中,正负极和固态电解质所使用的材料的组合都存在是否搭配的问题。因此就无法按照想要实现的特性来选择材料。相比之下,如果运用村田的技术,就能够相对自由地选择构成电池的材料。这样一来,就可以轻松制造出改变输出电压、注重使用寿命或注重性能的电池等衍生产品。


当然也可以进一步追求小型化和高性能化。作为在电池内部储存电荷的载体,我们还会考虑利用目前所使用的锂离子以外的物质。届时大概就要从零开始考虑固态电解质等其他组成材料了。


另外,村田还拥有制造除电池以外的其他各类电子元件的技术。如果能对全固态电池较高的电路板贴装性加以运用,就可以制造出与电池控制电路、无线供电电路、通信天线、各种传感器等一体化的电池模块,并能提供针对各种用途的、功能及性能等均达到非常好的解决方案。

纽扣电池

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

急剧扩大IoT和可穿戴设备的应用场景

村田已经成功开发出了在确保高安全性的同时,可进一步推动移动电子设备的小型化和大容量化的全固态电池。这一成果有望使经常佩戴在身的可穿戴设备,以及在工厂、道路基础设施、重工业工厂等较为严峻的环境中用来收集数据的IoT设备实现飞速发展。


村田的全固态电池的升级还处于起步阶段。锂离子电池在1991年作为商品问世时的能量密度仅有现在的三分之一。而这次开发的全固态电池想必也会在经过研究和改善后实现大幅升级。


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