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[交流] 【其他】产综研利用常温工艺试制全固体薄膜锂离子充电电池已有1人参与

产综研利用常温工艺试制全固体薄膜锂离子充电电池
2010/11/11 00:00
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图1：此次试制的全固体型锂离子充电电池（点击放大）

图2：在正极层（LiCoO2或LiMn2O4）与负极层（Li4Ti5O12）之间夹着氧化物类固体电解质层进行3层层叠化之后的膜截面构造（点击放大）　　日本产业技术综合研究所的先进制造工艺研究部门与丰田的电池生产技术开发部门合作，利用产综研开发的陶瓷材料常温高速涂装工艺——气溶胶沉积(Aerosol Deposition，AD）法，对氧化物类的正极材料、负极材料及固体电解质材料进行薄膜层叠，在金属基板上试制出了由3层构造构成的全固体薄膜锂离子充电电池（图1），并全球首次确认了蓄电池的充放电特性。
　　使用AD法的话，无需像以往的薄膜技术那样对基板进行加热，而且还容易实现厚膜化。因此可大幅缩短成膜时间，有望提高蓄电池的生产效率，并大幅降低工艺成本。今后双方还将利用AD法全面展开全固体电池的开发。
　　作为新一代蓄电池之一的全固体型锂离子充电电池使用不会燃烧且无流动性的固体电解质，因此能够通过串联方式在一个外壳中放入多个单电池来简化结构，有望实现能量密度较高的电池组。
　　产综研此前成功利用AD法实现了60cm见方高透明陶瓷厚膜的常温成型工艺。AD法是一种通过使微粒子与气体混合后在减压下由喷嘴喷射出来，以气溶胶形式与基板冲撞来形成薄膜的技术。其特点在于可使用产综研发现的“常温冲击固化现象”（通过向粒子直径为1μm左右的陶瓷等微粒子材料上施加高压力及机械性冲击力，不进行加热即可在常温下获得高密度固化的现象），在金属、玻璃、及树脂等多种材质的基板上常温形成精细且高强度陶瓷膜。成膜速度虽然也受薄膜材质的影响，但可达到以往薄膜成形技术的数十倍以上。
　　全固体型锂离子电池是将原来的锂离子电池的液体电解质换成固体电解质的电池，由于电解质为固体，因此离子迁移率远低于液体电解质。所以，要想在全固体型电池的开发中提高电解质层中的离子迁移性，重要的是如何在确保电绝缘性的同时减薄电解质层，以及如何发现离子迁移率高的固体电解质材料。
　　虽然以前也曾有过使用迁移率高的硫化物类固体电解质试制层积型电池的先例，但硫化物类材料不仅难以实现精细构造体的制造及薄膜化，而且还存在容易与水发生反应导致劣化，以及产生硫化氢气体等问题。另外，虽然以前可在常温下将电解质材夹入正极材料与负极材料之间，通过冲压来制造电池，但利用冲压进行成型的话，电解质层的密度不会提高，特性无法得到充分发挥。而且，为了防止离子迁移发生紊乱，还需要在正负极与电解质层之间形成精细的界面构造，而该界面的形成也是一大课题。以前可利用窑制手段即烧结等工艺对正极材料、电解质材料及负极材料进行层叠化处理，但要想充分减薄电解质层的话，还要形成高密度的固体电解质层，为此进行高温烧结。不过，锂化合物很容易发生反应，各层之间的界面会由此相互扩散，难以形成精细的界面。以前还有过采用溅射法等以往薄膜技术来制造氧化物类全固体薄膜电池的案例，但制造时需要对基板进行加热，因此成膜速度较慢，在大尺寸化及低成本化方面存在问题。
　　而AD法在原理上能够在常温下形成高密度的固体电解质薄膜，可对正极层、负极层进行层叠化处理。此次在固体电解质方面对锂氧化物类的多种材料进行了研究，为使成膜条件及原料粒子适合AD法进行了调整，形成了离子迁移率达到3～5×10-6（S/cm）的固体电解质膜。并且，还在正极材料选用LiCoO2及LiMn2O4、负极材料选用Li4Ti5O12等普遍使用的电极材料后，利用AD法进行了3层层叠化处理（图2）。
　　利用AD法时，原料粒子向基板冲撞时会受到3GPa以上的非常高的压力。因此原料粉末以非常高的冲压进行了粉体成型，但在利用常温工艺的情况下，各层仍然均可形成非常精细的膜构造。另外，由于基材表面以及进行层叠的下层薄膜的表面只会有极为有限的区域受到高压，因此对基板及各层界面的损伤很小，而且也不会出现受热后相互扩散的现象。此次对正极、负极及电解质各层的膜厚进行了优化，制试出了氧化物类全固体型薄膜锂离子充电电池，并全球首次确认了充放电特性。（记者：浜田基彦）
■日文原文
産総研、常温プロセスで全固体薄膜Liイオン2次電池を試作

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