推動(dòng)IoT設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)大和可穿戴設(shè)備的升級(jí)：開發(fā)者如何解決難題

為實(shí)現(xiàn)適用于IoT設(shè)備及可穿戴設(shè)備，且兼?zhèn)浒踩院透咝阅艿娜虘B(tài)電池的實(shí)際應(yīng)用，村田制作所（以下稱為“村田”）所開展的工作經(jīng)過。村田將安全性放在第一位，選用氧化物陶瓷材料作為電解質(zhì)*1），以求實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的實(shí)際應(yīng)用與批量生產(chǎn)，但憑借以往的技術(shù)，還無法使全固態(tài)電池完全發(fā)揮性能。我們向負(fù)責(zé)開發(fā)工作的工程師們?cè)儐柫怂麄內(nèi)绾谓鉀Q了棘手的難題，以及成功開發(fā)出的全固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)和今后利用其優(yōu)點(diǎn)的發(fā)展方向。

*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)。

開發(fā)方針十分明確，但實(shí)踐之路卻困難重重

――雖然將氧化物陶瓷材料用作固態(tài)電解質(zhì)可以制造出安全性較高的全固態(tài)電池，但依靠傳統(tǒng)技術(shù)卻只能實(shí)現(xiàn)較低的性能這一現(xiàn)狀令人十分困擾。那么村田是采取怎樣的措施攻克了這一難關(guān)的呢？

我們主要通過“離子傳導(dǎo)率較高的固態(tài)電解質(zhì)材料的開發(fā)”、“精密輕薄的電解質(zhì)層形成技術(shù)”、“提高電極活性物質(zhì)和電解質(zhì)附著性的工序開發(fā)”這三個(gè)方面成功實(shí)現(xiàn)了良好的特性。其中比較困難的是精密輕薄的電解質(zhì)層的形成，但通過村田長(zhǎng)年積累的多層陶瓷電容器（MLCC）的批量生產(chǎn)技術(shù)和專業(yè)知識(shí)，這一點(diǎn)也已經(jīng)得到了解決。MLCC和全固態(tài)電池一樣，都是在電極之間添加陶瓷材料導(dǎo)電體的構(gòu)造。通過制作并緊固精致的陶瓷薄膜的技術(shù)，我們現(xiàn)在已經(jīng)能夠批量生產(chǎn)高品質(zhì)的具有精細(xì)圖案的元件。我們認(rèn)為，只要將這一技術(shù)運(yùn)用于全固態(tài)電池的制造中，就可以解決技術(shù)方面最大的難題。

――我們已經(jīng)知道村田的全固態(tài)電池中采用了MLCC的工藝，那么起初在運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，是否如設(shè)想的那樣順利解決了難題呢？

為了進(jìn)行開發(fā)，我們集結(jié)了全固態(tài)電池和MLCC方面的專家，確立了開發(fā)項(xiàng)目。但實(shí)際情況卻并沒有難么簡(jiǎn)單。

在制造全固態(tài)電池時(shí)，我們運(yùn)用了制造MLCC時(shí)將片狀多層構(gòu)造一體化的“燒結(jié)”工藝。因?yàn)樵贛LCC方面我們已經(jīng)成功開發(fā)出了構(gòu)造比全固態(tài)電池更精密的產(chǎn)品，所以認(rèn)為全固態(tài)電池的制造也會(huì)很輕松。然而，燒結(jié)會(huì)根據(jù)具體條件使電池性能發(fā)生很大的變化，是一道需要小心處理的工序，因此為制造出高品質(zhì)的電池，我們花費(fèi)了相當(dāng)大的工夫。

這是有其根本原因的。雖然使用了同樣的陶瓷材料，但MLCC的導(dǎo)電體和全固態(tài)電池的固態(tài)電解質(zhì)中，影響設(shè)備整體性能和質(zhì)量的參數(shù)卻有所不相同。所以就需要調(diào)試MLCC的工藝，以使其適用于全固態(tài)電池。

改良針對(duì)MLCC的技術(shù)，使其適用于全固態(tài)電池的制造

――也就是說，全固態(tài)電池中連接正負(fù)極的固態(tài)電解質(zhì)和MLCC中夾在電極之間的導(dǎo)電體雖然同樣都是陶瓷材料，但在電能方面的作用卻完全不同嗎？在不進(jìn)行嘗試就無法實(shí)際了解技術(shù)方面的差異的情況下，你們是如何解決問題的呢？

我們將MLCC的制造技術(shù)與電池方面的知識(shí)相結(jié)合，對(duì)材料、工藝和制造設(shè)備分別進(jìn)行對(duì)比和修正，并進(jìn)行了相應(yīng)的改善。但問題在于，全固態(tài)電池方面的專家并不熟悉MLCC的制造技術(shù)，而MLCC方面的專家也不能具體理解電池固有的工作原理。為此，開發(fā)項(xiàng)目的組員們展開了透徹的討論，并反復(fù)多次進(jìn)行嘗試，摸索兼顧電池性能和質(zhì)量的條件，終于成功開發(fā)出了理想的全固態(tài)電池。

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――村田不僅運(yùn)用了其獨(dú)家的MLCC制造技術(shù)，還進(jìn)一步成功開發(fā)出了全固態(tài)電池固有的制造技術(shù)。那么，已開發(fā)的全固態(tài)電池具有怎樣的優(yōu)點(diǎn)呢？

與以往公開的氧化物全固態(tài)電池相比，全新的全固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)了10到100倍的能量密度*2）。即使是4 mm × 5 mm × 9 mm的小型電池，也可以實(shí)現(xiàn)通過Bluetooth IE進(jìn)行的數(shù)據(jù)無線傳輸所需要的10 mA多的輸出電流。在產(chǎn)品原型中，我們已經(jīng)確認(rèn)了容量最大可達(dá)到數(shù)10 mAh，以這一容量，還可以將其用來替換無線耳機(jī)電源所使用的現(xiàn)有的鋰離子電池。并且，全固態(tài)電池的設(shè)計(jì)可使其獲得與現(xiàn)有的鋰離子電池等量的3.8V的輸出電壓，所以非常便于組裝到電子設(shè)備中。

*2）能量密度即表示蓄電池單位容積或重量?jī)?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)提供更多的電量。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。

一直以來，人們對(duì)于氧化物全固態(tài)電池的評(píng)價(jià)通常都是“難以實(shí)現(xiàn)大容量化”。所以，在CEATEC 2019看到產(chǎn)品原型的人們都非常驚訝于竟有如此小巧、大容量且可以精確運(yùn)作的全固態(tài)電池問世。

有助實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固耐用的IoT和具有魅力的可穿戴設(shè)備

――兼顧小型輕量和大容量的目標(biāo)有望實(shí)現(xiàn)之后，似乎也就可以推動(dòng)附加價(jià)值較高的IoT、可穿戴設(shè)備的開發(fā)工作了呢。

已完成的全固態(tài)電池不只具有高能量密度這一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于其中使用的氧化物材料耐熱性較強(qiáng)，因此全固態(tài)電池還可以在高溫環(huán)境下運(yùn)作，或通過回流焊接*3）貼裝到印制電路板表面。

*3）回流焊接即將電子元件焊接到電子設(shè)備組裝生產(chǎn)線中的印制電路板上的工序種類之一。其具體步驟為：在電路板預(yù)先涂好的膏狀焊料上放上需要焊接的電子元件，然后進(jìn)爐加熱，使焊料溶化，以將電路板和電子元件一次性連接到一起。

由于全固態(tài)電池可在高溫下正常工作，因此就可以將IoT設(shè)備等放在更為嚴(yán)峻的環(huán)境中。除此之外，我們認(rèn)為全固態(tài)電池還適合與將光、溫差、振動(dòng)等周邊環(huán)境中存在的能量轉(zhuǎn)換為電能，并用作電源的能量收集*4）技術(shù)同時(shí)使用。這是因?yàn)榻窈筮\(yùn)用能量收集技術(shù)的設(shè)備將被更普遍地放置于室外等嚴(yán)峻的環(huán)境中。

*4）能量收集是將在使用電能的電子設(shè)備的周圍環(huán)境中原本存在的能量轉(zhuǎn)換為電能，并作為電源使用的技術(shù)。由于能量收集可自行產(chǎn)生并消耗電能，無需交換電池或再次充電，因此就可以制造無需維護(hù)的電子設(shè)備。最常使用的能源為光能，通過使用太陽能電池，可將光能轉(zhuǎn)換為電能。除此之外，還有將道路的振動(dòng)、按下開關(guān)時(shí)用的力、氣溫差、空中的電波等作為能源使用的技術(shù)提議。但是，在現(xiàn)場(chǎng)可以調(diào)用的電能通常較微弱且不夠穩(wěn)定，因此必須對(duì)電池進(jìn)行充電，以保證在需要時(shí)可以提供穩(wěn)定的電能。

此外，由于在組裝時(shí)可以利用回流焊接，從而免去了事后僅安裝電池的工序，有助于減少設(shè)備的制造成本。而且還可以將小型電池安裝到印制電路板上沒有貼裝任何元件的空閑區(qū)域，有望減少貼裝面積。

在經(jīng)常佩戴在身上使用的可穿戴設(shè)備方面，推廣普及率的條件之一是使用吸引人的外形設(shè)計(jì)。但是，以往的電池需要預(yù)先備好安裝電池的空間，這就限制了外形設(shè)計(jì)的自由度。而如果使用全新開發(fā)的電池，就可以優(yōu)先外形設(shè)計(jì)，并將電池配置在半導(dǎo)體和電子元件的空隙中。

無線充電一體化全固態(tài)電池模塊

適用于多種領(lǐng)域

――今后，村田希望實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池怎樣的發(fā)展和升級(jí)呢？

事實(shí)上，這次開發(fā)的技術(shù)具備了對(duì)實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的進(jìn)一步發(fā)展非常有利的優(yōu)點(diǎn)。到目前為止開發(fā)出的許多全固態(tài)電池中，正負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)所使用的材料的組合都存在是否搭配的問題。因此就無法按照想要實(shí)現(xiàn)的特性來選擇材料。相比之下，如果運(yùn)用村田的技術(shù)，就能夠相對(duì)自由地選擇構(gòu)成電池的材料。這樣一來，就可以輕松制造出改變輸出電壓、注重使用壽命或注重性能的電池等衍生產(chǎn)品。

當(dāng)然也可以進(jìn)一步追求小型化和高性能化。作為在電池內(nèi)部?jī)?chǔ)存電荷的載體，我們還會(huì)考慮利用目前所使用的鋰離子以外的物質(zhì)。屆時(shí)大概就要從零開始考慮固態(tài)電解質(zhì)等其他組成材料了。

另外，村田還擁有制造除電池以外的其他各類電子元件的技術(shù)。如果能對(duì)全固態(tài)電池較高的電路板貼裝性加以運(yùn)用，就可以制造出與電池控制電路、無線供電電路、通信天線、各種傳感器等一體化的電池模塊，并能提供針對(duì)各種用途的、功能及性能等均達(dá)到非常好的解決方案。

急劇擴(kuò)大IoT和可穿戴設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景

村田已經(jīng)成功開發(fā)出了在確保高安全性的同時(shí)，可進(jìn)一步推動(dòng)移動(dòng)電子設(shè)備的小型化和大容量化的全固態(tài)電池。這一成果有望使經(jīng)常佩戴在身的可穿戴設(shè)備，以及在工廠、道路基礎(chǔ)設(shè)施、重工業(yè)工廠等較為嚴(yán)峻的環(huán)境中用來收集數(shù)據(jù)的IoT設(shè)備實(shí)現(xiàn)飛速發(fā)展。

村田的全固態(tài)電池的升級(jí)還處于起步階段。鋰離子電池在1991年作為商品問世時(shí)的能量密度僅有現(xiàn)在的三分之一。而這次開發(fā)的全固態(tài)電池想必也會(huì)在經(jīng)過研究和改善后實(shí)現(xiàn)大幅升級(jí)。

責(zé)任編輯：xj

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

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