mile米乐官方网站 采用室温工艺成功制作全固态薄膜锂离子电池样机

独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）先进制造工艺研究部【研究部部长村山信光】高级研究员兼综合处理研究组组长朱户纯和产研院特别研究员丹尼尔·波波维奇来自丰田汽车公司【社长丰田章男】（以下简称“丰田汽车”）电池生产技术开发部【董事兼总经理石黑康夫】藤岛诚吾集团负责人永井英行这是AIST与工程师合作开发的陶瓷材料的室温高速涂层工艺。气溶胶沉积 (AD) 方法、氧化物系正极材料、负极材料、固体电解质我们通过将材料层叠成薄膜，在金属基板上制作了具有三层结构的全固态薄膜锂（Li）离子电池原型（图1），并在世界上首次确认了其作为蓄电池的充电和放电特性。

与传统的薄膜技术不同，AD方法不需要加热基板，并且可以很容易地做得更厚。因此，可以显着缩短成膜时间，有望提高蓄电池的生产率并显着降低工艺成本。未来，我们将继续联合开发采用AD方法的全尺寸全固态电池。

　这项研究的详细结果将于2010年11月14日至18日在大阪国际会议中心举行的第三届国际陶瓷会议（ICC3）上公布。

图1 本次试制的全固态锂离子电池

　作为解决能源和环境问题的一种方法，插电式混合动力汽车的性能改进世界各地正在积极推广电动汽车。在这种情况下，开发下一代高能量密度蓄电池技术是大幅提升性能的关键，材料和制造方法的努力都很重要。

　全固态锂离子电池是下一代蓄电池之一，采用不可燃且非流体的固体电解质，因此可以简化控制系统，例如通过在单个外壳中串联多个单体电池，有望实现高能量密度的电池组（图2）。

图2 传统液态电解质型锂离子电池(a)和全固态锂离子电池(b)

AIST利用气溶胶沉积（AD）法，一种室温高速镀膜技术，在室温下成功形成了60cm见方的高透明陶瓷厚膜。AIST 新闻稿，2004 年 5 月 20 日）。自2006年以来，我们一直致力于利用室温工艺使锂电池材料变得更薄和更厚。

　另一方面，丰田汽车公司则着眼于“应对石油替代能源”和“CO₂为了加强减少排放（全球变暖对策）和防止空气污染等建设低碳社会的活动，我们一直致力于减少石油消耗（主要通过混合动力汽车技术）以及应对能源多样化。作为这项工作的一部分，我们正在研究和开发创新的下一代电池，其性能超越了当前的液体锂离子电池，在插电式混合动力汽车和电动汽车（替代燃料汽车）中发挥着重要作用。

　AIST 和丰田汽车公司已开始联合研究，通过结合各自的技术来开发下一代电池。

全固态锂离子电池用固体电解质代替了传统锂离子电池的液体电解质，但由于电解质是固体离子电导率远低于液体电解质。因此，在全固态电池的发展中，重要的是找到在保持电绝缘性的同时使电解质层变薄的方法，并发现具有高离子电导率的固体电解质材料以增加电解质层中离子的迁移率。

到目前为止，电导率高硫化物固体电解质散装电池的原型示例已有报道，但硫化物基材料难以制备致密结构和薄膜，并且还存在容易与水反应降解并产生硫化氢气体等问题。此外，电池是在室温下将电解质材料夹在正负极材料之间并压制而成，但问题是压制并不能增加电解质层的密度，使其无法充分发挥其性能。此外，需要在正极或负极与电解质层之间形成干净的界面结构，使得离子传导不被干扰，但形成这些界面也存在问题。这是传统的陶瓷方法烧结有一种将正极材料、电解质材料和负极材料层压的方法，但为了使电解质层足够薄，需要形成高密度固体电解质层，这需要在高温下烧结。然而，Li化合物具有高反应性，并且在各层的界面处发生相互扩散，使得难以形成干净的界面。溅射法，但这些电池需要加热基板，成膜速度慢，并且在增加尺寸和降低成本方面存在重大问题。

与此相对，AD法原则上可以在室温下形成高密度的固体电解质薄膜，并且可以将其与正极层和负极层层叠。这次，我们研究了各种作为固体电解质的Li氧化物基材料，调整了成膜条件和原料颗粒以适应AD方法，并实现了3至5×10^-6形成西门子每厘米(S/cm)固体电解质膜。另外，正极材料为LiCoO₂和锰酸锂₂O₄,负极材料Li₄钛₅O₁₂），使用AD方法堆叠三层（图3）。

在AD方法中，当原料颗粒与基材碰撞时，会施加超过3吉帕斯卡(GPa)的极高压力。因此，虽然可以说原料粉末是在极高的压制压力下粉末成型的，并且即使是在室温过程中形成的，但每一层都能够形成非常致密的膜结构。此外，由于仅对要层压的基材和下膜表面上的非常有限的区域施加高压，因此对基材和各层界面的损伤很小，并且没有观察到由于热而导致的相互扩散。这次，我们优化了正极、负极和电解质层的膜厚，制造了氧化物基全固态薄膜锂离子电池（图4），并在世界上首次证实了其充放电特性。

图3 正极层(LiCoO2或锰酸锂2O4)、负极层(Li4钛5O12) 其间具有氧化物固体电解质层的三个层压膜的横截面结构

图4 本次原型制作的全固态锂电池

　虽然我们这次试制的全固态锂离子电池仍处于早期阶段，其性能尚未达到实用水平，但利用室温工艺AD方法制造的氧化物基全固态薄膜锂离子电池的可操作性证明了AD方法是实现蓄电池的有力制造方法之一。未来，我们的目标是通过寻找更高性能的固体电解质材料和优化薄膜的微观结构，实现超越传统锂离子电池的性能。

◆气溶胶沉积（AD）法

一种将细颗粒与气体混合并在减压下从喷嘴喷射，使它们作为气溶胶射流与基材碰撞并形成薄膜的技术。利用产业技术研究院发现的“室温冲击凝固现象”（陶瓷等粒径为1μm左右的颗粒材料，无需加热，仅施加高压或机械冲击，在室温下凝固成高密度的现象），可以在金属、玻璃、塑料等各种材质的基材上，在室温下形成致密、高密合强度的陶瓷膜。尽管取决于薄膜材料，但成膜速度比传统薄膜形成技术快数十倍。[返回来源]

◆固体电解质

可以通过外部施加的电场移动离子（带电物质）的固体。相反，也可以利用离子的运动来提取电力。在金属和半导体中，电流主要通过电子的运动流动，而在固体电解质中，电流主要通过离子的运动流动。它与电解质溶液类似，运动的带电粒子都是离子，但由于介质目前是固体，离子运动速度慢，低温下的电导率低。就锂二次电池而言，它用于在充电和放电期间在正极和负极之间移动离子。[返回来源]

◆插电式混合动力汽车

混合动力汽车，可以使用插头直接从插座给电池充电。缩写为 PHV 或 PHEV。夜间使用外部电源（例如家用插座）对电池进行充电，从而增加了车辆作为仅使用电机的电动车辆的行驶距离。当电池电量耗尽或长途行驶时，它会像非插电式混合动力汽车一样使用发动机。[返回来源]

◆离子电导率

当施加电压时，离子（带电粒子）的运动携带电荷，导致电流流动，这种现象称为离子传导。流动电流与施加电压的比率（电阻的倒数）称为离子电导率。[返回来源]

◆硫化物基固体电解质

李₂S-P₂S₅3～5×10^-3S/cm，与有机电解质相似。它被视为一种有前途的无机固体电解质材料，是全固态电池的关键。[返回来源]

◆散装电池

这里是指将正极、负极、固体电解质材料的粉末原料放入模具中分层，然后施加高压，尽可能提高各层的密度，从而以全固态电池的方式工作的电池。[返回来源]

◆烧结

将陶瓷或金属粉末与粘合剂等混炼成粘土，在压力下成型，然后在低于粉末材料熔点的高温下烘烤的方法。[返回来源]

◆溅射法

将真空室抽真空后，引入少量气体，例如氩气，当在电极之间施加高电压以引起放电时，氩气被电离。这些离子撞击汽化源材料（靶材），使靶材飞出（溅射）并与基板碰撞而形成薄膜的技术。工业上广泛使用的薄膜形成方法之一。[返回来源]