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燃燒且無流動性的固體電解質(zhì)，因此能夠通過串聯(lián)方式在一個外殼中放入多個單電池來簡化結(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，但制造時需要對基板進(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，原料粒子向基板沖撞時會受到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有極為有限的區(qū)域受到高壓，因此對基板及各層界面的損傷很小，而且也不會出現(xiàn)受熱后相互擴(kuò)散的現(xiàn)象。此次對正極、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。
