先进制造研究所 (AMRI；所长：村山纪光)、米乐m6官方网站 (AIST；所长：Tamotsu Nomakuchi) 的 Jun Akedo（首席高级研究员），AMRI、AIST 集成工艺技术组的 Daniel Popovici（AIST 博士后研究员）（组长：Jun Akedo）与 Seigou Fujishima 合作丰田汽车公司（丰田，总裁兼首席执行官：丰田章男）电池生产技术开发部（副总裁兼董事：石黑康夫）的永井英行（组长）和永井英幸（技术人员）等人，使用气溶胶沉积法（AD法）（一种已开发的室温高速陶瓷涂层工艺）制备了全固态薄膜锂（Li）离子电池原型（图1）由日本科学技术协会 (AIST) 提供。该原型由沉积在金属基板上的三层薄氧化物、阴极、阳极和固体电解质组成。该原型机能够成功充电和放电，其作为蓄电池的操作在世界上首次得到演示。

与传统的薄膜形成不同，AD方法不需要加热基板，可以轻松地增厚薄膜。因此，可以在短时间内形成薄膜，为提高蓄电池生产效率和大幅降低加工成本提供了前景。我们将继续合作开发AD方法制造的实用全固态电池。

这项研究的结果将在 2010 年 11 月 14 日至 18 日在日本大阪大阪国际会议中心举行的第三届国际陶瓷大会 (ICC3) 上公布。

图1：全固态锂离子电池原型

为了解决能源和环境问题，人们一直在追求插电式混合动力汽车和电动汽车的性能改进。在此背景下，开发高能量密度的下一代蓄电池技术是大幅提升汽车性能的关键，材料和制造工艺方面的努力就显得尤为重要。

全固态锂离子电池是下一代蓄电池之一，使用不具有流动性的不易燃固态电解质。这使得控制系统得以简化，例如通过使用串联在一个电池组中的单元电池，并且有望产生具有高能量密度的电池组（图2）。

图2：(a)传统液态电解质锂离子电池和(b)全固态锂离子电池

AIST 已成功利用 AD 方法在室温下制造了 60 平方厘米的高透明陶瓷厚膜，这是一种室温下的高速技术涂层（AIST 新闻稿，2004 年 5 月 20 日）。自 2006 年以来，AIST 一直利用这种室温工艺来解决锂电池薄膜材料的减薄和增厚问题。

与此同时，丰田一直致力于通过专注于混合动力汽车技术来解决减少石油消耗和实现能源供应多元化的需求，以加强低碳导向的活动，包括“转向石油替代能源”、“减少二氧化碳₂排放（应对全球变暖的措施）”和“防止空气污染”。人们一直在研发创新的下一代电池，其性能将超越液态锂离子电池，对于包括传统混合动力汽车和电动汽车在内的替代燃料汽车至关重要。

AIST 和丰田已启动合作研究，旨在通过合并各自的技术来开发下一代电池。

全固态锂离子电池使用固态电解质代替传统锂离子电池的液态电解质。固体电解质的离子电导率比液体电解质低得多。因此，在全固态电池的发展中，重要的是在保持电绝缘性的同时使电解质层变薄，并寻找离子电导率提高的固体电解质材料以提高电解质层的离子电导率。

有一些关于使用高电导率固态硫化物电解质的散装电池原型的报道。然而，硫化物材料在致密结构的制备或薄膜的制造中存在困难。另外，硫化物容易产生硫化氢气体并与水反应而劣化。为了形成电池，将硫化物电解质夹在阴极和阳极之间并在室温下压制。由于电解液的密度不能通过压制成型来增加，因此电池没有表现出可接受的性能。为了避免离子传导的干扰，必须在电解质层和电极之间形成精细的界面，但界面的形成也带来一些问题。烧结是一种传统的陶瓷技术，可用于制造阴极、电解质和阳极。需要高温烧结来形成高密度的固体电解质层并获得足够薄的电解质层。由于Li的反应活性高，界面处会发生化合物的相互扩散，难以形成精细的界面。尽管已经有一些通过溅射和其他传统薄膜形成方法制备全固态薄膜氧化物电池的报道，但这些方法需要加热基板和/或成膜后热处理以及较长的成膜时间。因此，使用传统技术存在与制造更大电池和降低电池生产成本相关的问题。

理论上，AD方法能够在室温下形成高致密的固态电解质薄膜，并成功沉积在阴极和阳极层之间。在这项研究中，我们研究了各种作为固体电解质材料的氧化锂材料和离子电导率为3至5×10^-6(S/cm)是采用AD法在优化的条件和合适的颗粒原料下形成的。我们还使用了常见的电极材料，即 LiCoO₂或LiMn2O4作为阴极和Li₄钛₅O₁₂作为阳极。然后使用 AD 方法制造形成电池单元结构的三层（图 3）。

在AD方法中，当原料颗粒与基材碰撞时，会施加非常高的冲击压力（超过3 GPa）。 AD 工艺是粉末压实工艺，使用非常高的冲击压力来确保在室温下沉积高致密层。此外，这种高压仅在有限的时间内施加到部分基板和下层表面，因此对基板和层间界面的损坏最小，并且没有观察到由热引起的相互扩散。在这项研究中，通过优化正极、负极和电解质层的厚度，制备了氧化物基全固态薄膜锂离子电池（图4）。该类型电池的充放电特性在全球首次得到证实。

图3：由夹在阴极（LiCoO）之间的固态氧化物电解质层组成的三层制造薄膜的横截面结构2或锰酸锂2O4) 和阳极 (Li4钛5O12)

图4：全固态锂离子电池的原型

全固态锂离子电池原型仍处于开发的早期阶段，其性能尚未达到实用水平。然而，使用AD法（一种室温工艺）制造的氧化物基全固态锂离子电池的运行证明AD法是一种有前途的蓄电池生产方法。通过优化薄膜的微观结构，以及寻找更高性能的固体电解质材料，我们的目标是实现比传统锂离子电池具有更好性能的全固态锂离子电池。