如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電子設(shè)備的進(jìn)一步升級(jí)

力求實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電子設(shè)備的進(jìn)一步升級(jí)

隨著半導(dǎo)體和芯片元件等的飛速升級(jí)，智能手機(jī)和筆記本電腦等移動(dòng)電子設(shè)備已經(jīng)成為我們?cè)谌粘Ｉ詈凸ぷ髦斜夭豢缮俚墓ぞ?。其中，電池的升?jí)對(duì)于移動(dòng)電子設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)大來說尤其是不可或缺的源動(dòng)力。

面對(duì)即將正式到來的數(shù)據(jù)化社會(huì)，移動(dòng)電子設(shè)備需進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型輕量化。要想準(zhǔn)確把握社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施和工廠等的運(yùn)作情況，就必須用到收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心的小型IoT設(shè)備。此外，為維持健康的身體、實(shí)現(xiàn)富足的生活，可穿戴設(shè)備的普及也備受期待。這些IoT、可穿戴設(shè)備的普及都離不開電池的進(jìn)一步升級(jí)。

高性能鋰離子電池同樣面臨著難題

目前，移動(dòng)電子設(shè)備的電池中使用率最高的是鋰離子電池。智能手機(jī)等雖然體積小巧，但卻極其耗電?？稍谳^小的空間里儲(chǔ)存較多電量，并通過高輸出充放電的鋰離子電池對(duì)于移動(dòng)電子設(shè)備來說是不可取代的高性能電池。

然而，就目前的鋰離子電池而言，為了擴(kuò)大移動(dòng)電子設(shè)備的應(yīng)用范圍，當(dāng)務(wù)之急是進(jìn)一步提高其安全性。這是因?yàn)椋M成鋰離子電池的材料中含有可燃液體。并且，一旦受到來自外界的沖擊、電池內(nèi)部發(fā)生短路，電池就會(huì)發(fā)熱，最嚴(yán)重時(shí)甚至可能會(huì)起火。因此，在嚴(yán)峻的環(huán)境下，以及在涉及人身安全和管理重要資產(chǎn)的設(shè)備中使用時(shí)，必須采取各種限制和保護(hù)措施。

為了解決這些難題，將原為可燃液體的電解質(zhì)*1）轉(zhuǎn)換為不燃固態(tài)材料，以提高安全性的全固態(tài)電池的開發(fā)工作正在全世界范圍內(nèi)展開。然而，以往追求安全性的全固態(tài)電池中所使用的固態(tài)電解質(zhì)材料存在著離子難以流經(jīng)電池內(nèi)部，從而削減鋰離子電池的高性能的缺陷。在固態(tài)電解質(zhì)方面，可獲得高輸出的硫化物電解質(zhì)材料的開發(fā)工作雖在進(jìn)行當(dāng)中，但硫化物材料卻存在接觸大氣時(shí)可能產(chǎn)生有毒氣體的隱患。

1）在可充放電的蓄電池的內(nèi)部，對(duì)于在正負(fù)極之間傳遞電荷的載體（鋰離子電池的載體為鋰離子）起到移動(dòng)通道作用的物質(zhì)被稱為電解質(zhì)。

力求開發(fā)推動(dòng)IoT和可穿戴設(shè)備的進(jìn)一步升級(jí)的全固態(tài)電池

村田制作所（以下稱為“村田”）為協(xié)助實(shí)現(xiàn)小型、高性能的IoT和可穿戴設(shè)備，正在進(jìn)行將確保安全性放在第一位并最大限度地提高可儲(chǔ)存電量的全固態(tài)電池的開發(fā)工作。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，村田正在運(yùn)用長年以來積累的多層陶瓷電容器（MLCC）技術(shù)，力求開發(fā)出獨(dú)家的材料、工序和裝置技術(shù)。

并且，村田已于2019年成功地開發(fā)出了擁有行業(yè)超高性能水準(zhǔn)的全固態(tài)電池。該全固態(tài)電池的原型已在CEATEC 2019中公開亮相，并榮獲了“CEATEC AWARD 2019”的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)大臣獎(jiǎng)，受到各界地廣泛矚目。

結(jié)合獨(dú)家材料技術(shù)和MLCC技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全性和高性能

村田開發(fā)的全固態(tài)電池蘊(yùn)藏了擴(kuò)大移動(dòng)電子設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景的可能性，是一項(xiàng)極具影響力的技術(shù)。然而，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的路途卻并不平坦。對(duì)此，我們向負(fù)責(zé)開發(fā)工作的村田的工程師們?cè)儐柫碎_發(fā)的經(jīng)過、全固態(tài)電池成品的優(yōu)點(diǎn)以及今后的發(fā)展方向。

同時(shí)提高安全性與性能的難題

目前，全世界的企業(yè)都在競(jìng)爭(zhēng)著開發(fā)全固態(tài)電池這一終極形態(tài)的鋰離子電池。在這種情況下，村田的目標(biāo)是開發(fā)出怎樣的全固態(tài)電池呢？

我們將安全性的提升放在首要位置，正在致力于開發(fā)適用于IoT和可穿戴設(shè)備的、具有高能量密度*2）的全固態(tài)電池。

2）能量密度即表示蓄電池單位容積或重量內(nèi)可儲(chǔ)蓄電量的指標(biāo)。能量密度的單位為Wh/ L（側(cè)重容積時(shí)的單位）或Wh/kg（側(cè)重重量時(shí)的單位）。如果電池的能量密度較高，就可以在實(shí)現(xiàn)小型、輕量的同時(shí)儲(chǔ)蓄更多電量。進(jìn)而使安裝有更高性能的電子設(shè)備、便于使用的移動(dòng)設(shè)備的制造成為可能。

提到全固態(tài)電池的應(yīng)用領(lǐng)域，很多人可能會(huì)首先想到電力汽車。但村田正在開發(fā)的全固態(tài)電池卻不同于汽車中使用的電池。

就用于汽車的全固態(tài)電池而言，由于需要應(yīng)對(duì)例如汽車突然加速等情況，所以普遍會(huì)考慮采用注重輸出性的離子傳導(dǎo)率較高的硫化物材料，但這就需要解決硫化物材料在電池破損時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒氣體這一安全隱患。高安全性的確保對(duì)于佩戴在人體身上的可穿戴設(shè)備來說也非常重要。

各類電池面臨的難題

針對(duì)上述情況，村田的全固態(tài)電池中的固態(tài)電解質(zhì)采用了安全性較高、具備耐熱性、不燃性的獨(dú)家氧化物陶瓷材料。氧化物固態(tài)電解質(zhì)通常面臨著增加能量密度、實(shí)現(xiàn)大容量化的難題。IoT和可穿戴設(shè)備必須具備從各種傳感器中收集數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸收集的數(shù)據(jù)的功能。要運(yùn)行這些功能，就需要實(shí)現(xiàn)可穩(wěn)定提供必要電量的能量密度。為此，村田正在運(yùn)用已開發(fā)的材料，進(jìn)行著增加能量密度、實(shí)現(xiàn)大容量化的開發(fā)工作。

同時(shí)實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的安全性和性能的關(guān)鍵在于MLCC技術(shù)

――將氧化物材料用作固態(tài)電解質(zhì)時(shí)，為什么難以增加能量密度呢？

不僅是全固態(tài)電池，制造高能量密度的電池時(shí)都必須增加電池內(nèi)部的電極活性物質(zhì)
3）的比例。并且，為了實(shí)現(xiàn)高輸出（低電阻），①提高電極間的離子傳輸效率、②提高電極活性物質(zhì)和電解質(zhì)的界面附著性這兩點(diǎn)也是非常重要的。傳統(tǒng)的鋰離子電池中采用了離子傳導(dǎo)率較高的液體電解質(zhì)，所以不存在任何問題。但是，我們使用的氧化物陶瓷材料雖然具有較高的安全性，但離子傳導(dǎo)率卻相對(duì)較低。并且，由于這種材料呈較硬的粒子狀，因此和活性物質(zhì)的附著性也不理想。所以就難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能量密度和高輸出。

3）活性物質(zhì)即構(gòu)成電極的物質(zhì)中直接傳遞電荷的物質(zhì)。