關(guān)于全固體薄膜鋰離子充電電池的新聞事件:
- 日本利用常溫工藝試制全固體薄膜鋰離子充電電池
- 全球首次確認(rèn)了蓄電池的充放電特性
關(guān)于全固體薄膜鋰離子充電電池的事件影響：
- 大幅縮短成膜時(shí)間
- 提高蓄電池的生產(chǎn)效率
- 大幅降低工藝成本
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的先進(jìn)制造工藝研究部門與豐田的電池生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)部門合作，利用產(chǎn)綜研開發(fā)的陶瓷材料常溫高速涂裝工藝——氣溶膠沉積(Aerosol Deposition，AD）法，對(duì)氧化物類的正極材料、負(fù)極材料及固體電解質(zhì)材料進(jìn)行薄膜層疊，在金屬基板上試制出了由3層構(gòu)造構(gòu)成的全固體薄膜鋰離子充電電池，并全球首次確認(rèn)了蓄電池的充放電特性。
使用AD法的話，無需像以往的薄膜技術(shù)那樣對(duì)基板進(jìn)行加熱，而且還容易實(shí)現(xiàn)厚膜化。因此可大幅縮短成膜時(shí)間，有望提高蓄電池的生產(chǎn)效率，并大幅降低工藝成本。今后雙方還將利用AD法全面展開全固體電池的開發(fā)。
作為新一代蓄電池之一的全固體型鋰離子充電電池使用不會(huì)燃燒且無流動(dòng)性的固體電解質(zhì)，因此能夠通過串聯(lián)方式在一個(gè)外殼中放入多個(gè)單電池來簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，有望實(shí)現(xiàn)能量密度較高的電池組。
產(chǎn)綜研此前成功利用AD法實(shí)現(xiàn)了60cm見方高透明陶瓷厚膜的常溫成型工藝。AD法是一種通過使微粒子與氣體混合后在減壓下由噴嘴噴射出來，以氣溶膠形式與基板沖撞來形成薄膜的技術(shù)。其特點(diǎn)在于可使用產(chǎn)綜研發(fā)現(xiàn)的“常溫沖擊固化現(xiàn)象”（通過向粒子直徑為1μm左右的陶瓷等微粒子材料上施加高壓力及機(jī)械性沖擊力，不進(jìn)行加熱即可在常溫下獲得高密度固化的現(xiàn)象），在金屬、玻璃、及樹脂等多種材質(zhì)的基板上常溫形成精細(xì)且高強(qiáng)度陶瓷膜。成膜速度雖然也受薄膜材質(zhì)的影響，但可達(dá)到以往薄膜成形技術(shù)的數(shù)十倍以上。
全固體型鋰離子電池是將原來的鋰離子電池的液體電解質(zhì)換成固體電解質(zhì)的電池，由于電解質(zhì)為固體，因此離子遷移率遠(yuǎn)低于液體電解質(zhì)。所以，要想在全固體型電池的開發(fā)中提高電解質(zhì)層中的離子遷移性，重要的是如何在確保電絕緣性的同時(shí)減薄電解質(zhì)層，以及如何發(fā)現(xiàn)離子遷移率高的固體電解質(zhì)材料。
雖然以前也曾有過使用遷移率高的硫化物類固體電解質(zhì)試制層積型電池的先例，但硫化物類材料不僅難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)構(gòu)造體的制造及薄膜化，而且還存在容易與水發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致劣化，以及產(chǎn)生硫化氫氣體等問題。另外，雖然以前可在常溫下將電解質(zhì)材夾入正極材料與負(fù)極材料之間，通過沖壓來制造電池，但利用沖壓進(jìn)行成型的話，電解質(zhì)層的密度不會(huì)提高，特性無法得到充分發(fā)揮。而且，為了防止離子遷移發(fā)生紊亂，還需要在正負(fù)極與電解質(zhì)層之間形成精細(xì)的界面構(gòu)造，而該界面的形成也是一大課題。以前可利用窯制手段即燒結(jié)等工藝對(duì)正極材料、電解質(zhì)材料及負(fù)極材料進(jìn)行層疊化處理，但要想充分減薄電解質(zhì)層的話，還要形成高密度的固體電解質(zhì)層，為此進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。不過，鋰化合物很容易發(fā)生反應(yīng)，各層之間的界面會(huì)由此相互擴(kuò)散，難以形成精細(xì)的界面。以前還有過采用濺射法等以往薄膜技術(shù)來制造氧化物類全固體薄膜電池的案例，但制造時(shí)需要對(duì)基板進(jìn)行加熱，因此成膜速度較慢，在大尺寸化及低成本化方面存在問題。
而AD法在原理上能夠在常溫下形成高密度的固體電解質(zhì)薄膜，可對(duì)正極層、負(fù)極層進(jìn)行層疊化處理。此次在固體電解質(zhì)方面對(duì)鋰氧化物類的多種材料進(jìn)行了研究，為使成膜條件及原料粒子適合AD法進(jìn)行了調(diào)整，形成了離子遷移率達(dá)到3～5×10-6（S/cm）的固體電解質(zhì)膜。并且，還在正極材料選用LiCoO2及LiMn2O4、負(fù)極材料選用Li4Ti5O12等普遍使用的電極材料后，利用AD法進(jìn)行了3層層疊化處理。
利用AD法時(shí)，原料粒子向基板沖撞時(shí)會(huì)受到3GPa以上的非常高的壓力。因此原料粉末以非常高的沖壓進(jìn)行了粉體成型，但在利用常溫工藝的情況下，各層仍然均可形成非常精細(xì)的膜構(gòu)造。另外，由于基材表面以及進(jìn)行層疊的下層薄膜的表面只會(huì)有極為有限的區(qū)域受到高壓，因此對(duì)基板及各層界面的損傷很小，而且也不會(huì)出現(xiàn)受熱后相互擴(kuò)散的現(xiàn)象。此次對(duì)正極、負(fù)極及電解質(zhì)各層的膜厚進(jìn)行了優(yōu)化，制試出了氧化物類全固體型薄膜鋰離子充電電池，并全球首次確認(rèn)了充放電特性。
