IoT、可穿戴設(shè)備的普及都離不開電池的進一步升級

力求實現(xiàn)移動電子設(shè)備的進一步升級

隨著半導(dǎo)體和芯片元件等的飛速升級，智能手機和筆記本電腦等移動電子設(shè)備已經(jīng)成為我們在日常生活和工作中必不可少的工具。其中，電池的升級對于移動電子設(shè)備應(yīng)用場景的擴大來說尤其是不可或缺的源動力。

面對即將正式到來的數(shù)據(jù)化社會，移動電子設(shè)備需進一步實現(xiàn)小型輕量化。要想準(zhǔn)確把握社會基礎(chǔ)設(shè)施和工廠等的運作情況，就必須用到收集現(xiàn)場數(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一步升級。

高性能鋰離子電池同樣面臨著難題

目前，移動電子設(shè)備的電池中使用率最高的是鋰離子電池。智能手機等雖然體積小巧，但卻極其耗電?？稍谳^小的空間里儲存較多電量，并通過高輸出充放電的鋰離子電池對于移動電子設(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，為了擴大移動電子設(shè)備的應(yīng)用范圍，當(dāng)務(wù)之急是進一步提高其安全性。這是因為，組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，電池就會發(fā)熱，最嚴(yán)重時甚至可能會起火。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，必須采取各種限制和保護措施。

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)工作雖在進行當(dāng)中，但硫化物材料卻存在接觸大氣時可能產(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）起到移動通道作用的物質(zhì)被稱為電解質(zhì)。

力求開發(fā)推動IoT和可穿戴設(shè)備的進一步升級的全固態(tài)電池

村田制作所（以下稱為“村田”）為協(xié)助實現(xiàn)小型、高性能的IoT和可穿戴設(shè)備，正在進行將確保安全性放在第一位并最大限度地提高可儲存電量的全固態(tài)電池的開發(fā)工作。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，村田正在運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)濟產(chǎn)業(yè)大臣獎，受到各界地廣泛矚目。

結(jié)合獨家材料技術(shù)和MLCC技術(shù)，同時實現(xiàn)安全性和高性能

村田開發(fā)的全固態(tài)電池蘊藏了擴大移動電子設(shè)備應(yīng)用場景的可能性，是一項極具影響力的技術(shù)。然而，實現(xiàn)這一技術(shù)的路途卻并不平坦。對此，我們向負(fù)責(zé)開發(fā)工作的村田的工程師們詢問了開發(fā)的經(jīng)過、全固態(tài)電池成品的優(yōu)點以及今后的發(fā)展方向。

左起：項目組長清水、高級管理負(fù)責(zé)人熊谷、高級電池工程師青木

同時提高安全性與性能的難題

――目前，全世界的企業(yè)都在競爭著開發(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)可儲蓄電量的指標(biāo)。能量密度的單位為Wh/ L（側(cè)重容積時的單位）或Wh/kg（側(cè)重重量時的單位）。如果電池的能量密度較高，就可以在實現(xiàn)小型、輕量的同時儲蓄更多電量。進而使安裝有更高性能的電子設(shè)備、便于使用的移動設(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)對例如汽車突然加速等情況，所以普遍會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會產(chǎn)生有毒氣體這一安全隱患。高安全性的確保對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。要運行這些功能，就需要實現(xiàn)可穩(wěn)定提供必要電量的能量密度。為此，村田正在運用已開發(fā)的材料，進行著增加能量密度、實現(xiàn)大容量化的開發(fā)工作。

村田的MLCC技術(shù)

同時實現(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，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。所以就難以同時實現(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)。

明天將介紹推動IoT設(shè)備應(yīng)用場景的擴大和可穿戴設(shè)備的升級 村田的氧化物全固態(tài)電池（后篇）

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：推動IoT設(shè)備應(yīng)用場景的擴大和可穿戴設(shè)備的升級 村田的氧化物全固態(tài)電池（前篇）

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