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(kāi)展的工作經(jīng)過(guò)。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(wú)法使全固態(tài)電池完全發(fā)揮性能。我們向負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)工作的工程師們?cè)儐?wèn)了他們?nèi)绾谓鉀Q了棘手的難題，以及成功開(kāi)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(kāi)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(guò)“離子傳導(dǎo)率較高的固態(tài)電解質(zhì)材料的開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)發(fā)項(xiàng)目。但實(shí)際情況卻并沒(méi)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(kāi)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(shuō)，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(wú)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(wèn)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(wèn)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(kāi)發(fā)項(xiàng)目的組員們展開(kāi)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(kāi)發(fā)出了理想的全固態(tài)電池。

對(duì)于兼?zhèn)涓甙踩院透吣芰棵芏刃阅艿某删透?/p>

――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(kāi)發(fā)出了全固態(tài)電池固有的制造技術(shù)。那么，已開(kāi)發(fā)的全固態(tài)電池具有怎樣的優(yōu)點(diǎn)呢？

與以往公開(kāi)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(guò)Bluetooth IE進(jìn)行的數(shù)據(jù)無(wú)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(lái)替換無(wú)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(lái)，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(wèn)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(kāi)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(guò)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(wú)需交換電池或再次充電，因此就可以制造無(wú)需維護(hù)的電子設(shè)備。最常使用的能源為光能，通過(guò)使用太陽(yáng)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(kāi)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(méi)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(kāi)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(wèn)題。因此就無(wú)法按照想要實(shí)現(xiàn)的特性來(lái)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(lái)，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(kāi)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(wú)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(kāi)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(lái)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(wèn)世時(shí)的能量密度僅有現(xiàn)在的三分之一。而這次開(kāi)發(fā)的全固態(tài)電池想必也會(huì)在經(jīng)過(guò)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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