让可穿戴设备美观又坚固的氧化物型全固态电池

电子设备的发展方向有几个明显的趋势。典型的例子包括性能和多功能性的不断改进、泛化和专业化的反复、系统结构的分散和集中。在计算机领域，“小型化”是电子设备进化的趋势之一。

小型化是一种趋势，由于技术进步，具有相同功能和性能的设备变得更小（图1）。当计算机刚刚发明时，它们足够大，可以占据很大的房间，但它们演变成台式电脑，随着智能手机的出现，它们变得足够小，可以放进你的口袋里。随着这些小型化的进展，计算机成为日常生活中常见的设备，扩大了其使用范围。

[图1]计算机小型化流程
创建者：伊藤元明
照片：AdobeStock

构成系统的半导体和无源元件等电子设备的尺寸更小、性能更高，使得计算机的尺寸缩小成为可能。第一台计算机使用大量手掌大小的真空管来构建其处理电路。安装在最新计算机和智能手机中的微处理器在只有几厘米见方的单个芯片中包含数十亿个晶体管，其功能与真空管相同。确实，可以说，如果没有电子设备的小型化，就不会诞生现在的数字社会。

虽然这是一个热门话题，但可穿戴设备的存在仍然很少

目前，智能手表和智能眼镜等可穿戴设备有望在进一步缩小智能手机尺寸和开创计算机使用新方式方面发挥作用。可穿戴设备是主要用于获取有关人的健康和活动状态的详细信息的设备，并且已经出现了已经广泛流行的产品，例如美国苹果公司的智能手表“Apple Watch”。

然而，近年来，计算机小型化似乎已经走进了死胡同。这种僵局已成为阻碍计算机使用量和用户数量扩大的一大问题。

世界上几乎每个人都拥有智能手机。即使生活在没有电话线的地区的人们也开始使用智能手机来收集信息和进行交流。然而，尽管可穿戴设备的市场在稳步扩大，应用领域也在不断扩大，但很难说其拥有与智能手机相媲美的存在感。

五年前 iPhone 推出时，它至少已经到达了发达国家的消费者手中。与此同时，Apple Watch 发布五年后，可穿戴设备仅由高度敏感的消费者佩戴。

电池阻碍了安全性和设计的进一步改进

为什么可穿戴设备的普及速度慢于智能手机的普及速度？人们已经指出了各种因素，但原因之一是当前的可穿戴设备并没有提供许多人期望的价值。

智能手表、智能眼镜等可穿戴设备是用户经常佩戴和使用的设备。个人电脑和智能手机最大的区别在于，使用这些设备时，安全性至关重要，此外，符合个人品味的设计比传统电子设备更重要（图2）。无论设备的性能多么高性能或多多功能，如果它有可能引起火灾或爆炸，或者没有吸引力，那么没有人愿意每天佩戴它。

可穿戴设备需要是坚固且美观的小型计算机。然而，发展缓慢的电池阻碍了让可穿戴设备变得坚固和美观的道路。

[图2]设备制造商在开发过程中认为重要的因素
创建者：伊藤元明
照片：AdobeStock

锂离子二次电池的最大缺点

许多消费者有一个模糊的想法，即用于为笔记本电脑和智能手机供电的锂离子二次电池是可穿戴设备的理想电池。然而，实际情况并非如此。当前的锂离子二次电池作为制造坚固且美观的可穿戴设备的电池，需要解决一些重大问题。

当然，当前的锂离子二次电池在狭小的空间内存储大量电力并能够高输出充电和放电方面具有无与伦比的高性能。然而，仍然存在安全问题。国土交通省交通局和航空公司网站将锂离子二次电池与火药、打火机、刀具等一起列为禁止或限制携带登机或飞机托运的“危险物品”（图3）。顺便说一句，干电池、镍镉二次电池、镍氢二次电池等其他电池被明确归类为“非危险材料”。

[图3]锂离子二次电池属于危险品
来源：国土交通省交通局主页

锂离子二次电池的安全性受到质疑的最大原因是因为构成电池的材料含有易燃和有毒物质。

首先，电解质是充放电时在电极之间转移电荷的介质^*1含有易燃液体。在最坏的情况下，外部冲击可能会导致电池内部的电极相互接触，从而导致短路和爆炸。此外，如果密封容器破裂，有毒液体可能会泄漏出来。因此，很难在受到冲击的环境或人们佩戴的设备中使用它们。

在高温环境下使用时会变得更加危险。通常，隔板是分隔锂离子二次电池内部的电极的构件^*2。然而，这种材料在100°C或更高的高温下会熔化，导致短路。此外，如果当达到电解质溶液的蒸发温度时内部压力升高，则将丧失作为电池的功能。

氧化物型全固态电池作为突破

为了实现安全的可穿戴设备，需要对锂离子二次电池进行根本性的改进。本系列的主要焦点全固态电池作为能够满足这些需求的技术，是被寄予厚望的技术。用稳定、不易燃的固体电解质取代降低锂离子二次电池安全性的易燃液体电解质和隔膜，可以显着提高安全性。

对于可穿戴设备，正在开发一种称为氧化物型全固态电池的技术，这种电池特别安全（图 4）。氧化物型是指用作固体电解质的氧化物基材料，是构建全固态电池的关键。^*3顺便说一下，正在开发的用于电动汽车（EV）电池的材料是硫化物基材料，这种材料很容易制成高输出电池。^*4固体电解质的类型。

[图4]氧化物型全固态电池的结构
来源：TDK 主页

无论是硫化物型还是氧化物型，与现在的锂离子二次电池相比，安全性都有显着提高。然而，当硫化物基固体电解质受损并与空气中所含的湿气接触时，可能会产生有毒的硫化氢气体。虽然这可以用于电池未放置在乘客舱中的电动汽车，但它不能用于可以直接佩戴在身上的可穿戴设备。因此，对于需要采取一切可能措施来确保安全的应用，通常假定使用氧化物型材料。

氧化物型全固态电池除了提高安全性之外还有其他好处。氧化物基固体电解质材料具有高耐热性。在组装电子设备时，该特性可用于将半导体和其他组件回流焊到印刷线路板上。^*5在此过程中，电池可以安装在一起。这极大地简化了电池的组装任务，从而降低了组装成本。此外，通过将小型电池安装在印刷线路板上的间隙或空余空间中，可以无浪费地实现，从而有助于装置的小型化和设计自由度的增加。换句话说，将更容易追求可穿戴设备所需的设计和美观。

此外，一般来说，二次电池的能量密度、功率密度、寿命、输出电压等根据所使用的电极材料的物理性质而变化。为了制造更高性能的二次电池，我们希望能够自由选择能够实现适合我们目的特性的电极材料，但实际上，材料与电解质等其他成分具有相容性，因此我们不能随心所欲地选择材料。然而，由于氧化物基固体电解质化学稳定，因此可以根据应用相对自由地选择电极材料。

此功能是一个优势，即使出现未知的优质电极材料，我们也可以相对轻松地做出响应。考虑到进一步小型化的需求，即使是现有的锂离子二次电池也不能说具有足够的能量密度。希望改进电极材料，以便在更紧凑的电池中存储更多电力。如果氧化物基全固态电池相关技术能够建立，新型电极材料有望尽早投入实际应用。

氧化物型难以提高能量密度

氧化物型全固态电池具有安全性等多种优点，但目前也存在缺点。换句话说，提高能量密度需要高难度的生产技术来制造紧凑、高容量的电池和高产量的电池。

氧化物类型难以提高能量密度的原因是，固体电解质是通过将细硬陶瓷颗粒模制成粘土状形式并对其进行烧结而制成的。为了提高能量密度，需要两件事：使固体电解质内的电荷移动顺畅，以及通过使电极和固体电解质紧密接触而更容易转移电荷。

在每种情况下，关键点都是材料开发以及成型和烧结工艺开发。烧结硬颗粒不可避免地会在固体电解质表面产生细微的不规则性，使其难以紧密地附着在电极上。顺便提及，硫化物基材料具有像橡胶一样的柔性机械性能，因此它们相对容易与电极粘合。

可穿戴设备需要具备获取、处理和传输反映用户活动状态和健康状态的数据以及输出信息的能力。因此，电池需要具有能够长时间使用的耐力，以及能够应对突然高负载的瞬时功率。因此，氧化物基全固态电池发展的重点是如何提高能量密度。

快速先进的氧化物系统，实现安全、可靠和大容量

然而，近年来，提高氧化物型全固态电池能量密度的技术开发取得了重大进展。村田制作所开发了一种技术，其能量密度比之前开发的氧化物型全固态电池高10至100倍，可与当前的锂离子二次电池相媲美（图5）。

原型机容量超过10mAh，电池尺寸为4mm x 5mm x 9mm，体积仅为AAA电池的1/19，能量密度接近碱性电池。

[图5]村田制作所开发的氧化物型全固态电池
外观（左）和实际应用的目标能量密度范围（右）
来源：村田制作所新闻稿

为了提高能量容量，该公司应用了多层陶瓷电容器（MLCC）技术，该技术采用与固态氧化物电池类似的材料、成型和烧结工艺进行生产。 MLCC与氧化物型全固态电池类似，是一种电子器件，其结构是电极之间的空间填充有由陶瓷材料制成的介电材料。该公司占有MLCC市场约40%的份额，建立了制造美丽的陶瓷薄膜并将其固化以制造具有稳定特性的电子设备的技术，以及高质量批量生产这些技术的技术。通过将其应用到全固态电池的生产中，我们解决了技术上最困难的部分。

在电子元件领域拥有良好业绩记录的制造商正在参与氧化物型全固态电池的开发和制造，包括TDK、太阳诱电和FDK。日本企业在这一领域具有很强的竞争力，很可能掌握着未来电子设备小型化的关键。

半固态电池，另一种方法

一些公司正在采用与全固态电池不同的方法来解决锂离子二次电池的缺点，并正在开发具有与氧化物型全固态电池相同特性的电池。

NGK Insulators 开发了一种专有的结晶陶瓷正极板，其晶体结构可让锂离子顺利移动。^*6''作为正极，我们实现了高能量密度和大输出。该公司将这种电池称为“半固体电池”，它使用少量液体电解质注入晶体取向陶瓷正极板。尽管如此，据称其安全性仍可与氧化物型全固态电池相媲美，并且可以使用回流焊进行安装。为此，我们开发了一种片式陶瓷二次电池，其中在材料表面使用陶瓷材料将正极和负极完全隔离。该公司将这种技术称为半固态电池，并且已经开发并商业化了形状类似于纽扣电池的电池和耐弯曲的超薄电池（图6）。

[图6]NGK Insulators开发的半固态电池
传统正极板和晶体取向陶瓷正极板的外观（左）和截面（右）
来源：NGK 绝缘子

可穿戴设备的能力也为物联网设备开辟了应用领域

氧化物型全固态电池非常适合作为可穿戴设备的电池，也适合作为可以放置在各种位置收集和传输数据的物联网设备的电池。

一般来说，物联网设备放置在恶劣的环境中，例如暴露在阳光下、风吹雨淋的户外，或者暴露在振动和高温下的工厂。氧化物型全固态电池的坚韧特性在这些使用环境中很有用。

此外，通过将其与能量收集技术结合使用，将周围环境固有的能量（例如光、温差和振动）转换为电能并将其用作电源，可以创建不需要更换电池的免维护物联网设备。通常，通过能量收集获得的电力很小，为微瓦级别，但如果经常将电力储存在电池中，则可以确保长距离无线传输数据所需的电力。对于很少去换电池的人来说比较困难的地方就是值得收集数据的地方，而坚韧电池的实现将扩大数据收集的范围。

下次我会讲解全固态电池实用化后，将导致电池进一步进化的技术发展。

作家

伊藤元明（伊藤元明）

光线有限公司代表

在富士通担任工程师 3 年半导体开发经验；拥有 12 年的新闻工作经验，曾在 Nikkei Micro Devices、Nikkei Electronics 和 Nikkei BP Semiconductor Research 担任记者/台/编辑；作为 Techno Associates（日经 BP 和三菱商事株式会社的合资智囊团）的顾问，为制造商业务提供了 6 年的支持；作为 Nikkei BP 技术信息组广告部门的广告制作人，提供了 4 年的营销支持。

2014年，他独立成立了光线有限公司。该公司提供专门从事技术营销的支持服务，公司考虑并付诸实践如何向目标受众（主要是科技公司）准确传达技术的价值。

网址：http://wwwenlight-inccojp/