印刷形成超薄可弯曲全固体锂聚物充电电池

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印刷形成超薄可弯曲全固体锂聚物充电电池


日本三重县产业支援中心正在开发以超薄可弯曲为特点的片状锂聚合物充电电池。该电池为使用固体电解质的全固体型，着火及爆炸的可能性大幅降低。另外还可利用基于印刷技术的卷对卷工艺进行制造，也是其一大特点。《日经电子》此次得到了对片状全固体锂聚合物充电电池的试制线进行采访的机会。

　　试制线大体分为两部分，一部分是三重大学新一代电池开发中心内的设施，另一部分是三重县产业支援中心先进材料创新中心内的设施。首先利用前一设施分别制造带正极层的树脂片材，以及带负极层及固体电解质层的树脂片材，然后再用后一设施对这些片材进行粘合并实施向叠层内封装。






涂布装置。正在涂布负极材料。

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片材粘合后仅厚100μm左右

　　三重大学新一代电池开发中心内的设施通过事先将室内露点温度调节至-40℃的干燥状态，彻底排除水分后，可形成电极层及电解质层等。设施内设有在树脂片材上涂布电极层及电解质层的装置，以及在涂布后对各层进行改质的电子射线照射装置等。

　　各层的形成工序按如下步骤进行。首先在树脂片材上涂布负极材料并干燥后照射电子射线，接着在涂布电解质层材料并干燥后照射电子射线。正极层是在另一树脂片材上涂布正极材料并干燥后照射电子射线。涂布用的电解质材料由聚环氧乙烷类高分子材料混合交联剂制成。在电子射线照射下，高分子材料便会交联。负极材料及正极材料中除活性物质外还混入了高分子材料，通过照射电子射线实现交联。正极使用LiFePO4与碳等的复合体，负极使用Li4Ti5O12与石墨及硅的复合体。

　　在《日经电子》采访时，进行了对负极膜进行涂布及干燥的演示，公开了将碳类材料中混合高分子材料的浆状材料涂布到呈卷状卷起的树脂片材上的过程。涂布速度为0.3m/min（树脂片材的滚动速度）。涂布工序后用加热器分两步烘干。由此使负极膜中的溶剂蒸发，实现干燥。之后再切成片材，转入电子射线照射工序。通过照射数十秒的电子射线，使负极膜内部发生交联。





涂布负极材料后的片材

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厚度方面，带负电极层和电解质的树脂片材只有70μm多。带正电极层的树脂片材为30μm左右，两张片材粘合后仅为100μm左右。




在片材上形成负极层及固体电解质层后

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可进行A8～B5尺寸的试制

　　在新一代电池开发中心进行电极层及电解质层成膜后的树脂片材，接下来被运至三重县产业支援中心先进材料创新中心，组装成片状全固体锂聚合物充电电池。试制室的露点湿度为-30℃左右，在极力排除水分后形成了可试制电池的状态。

　　从新一代电池开发中心运抵的各片材首先会被裁切成所希望的尺寸。目前可试制的尺寸为B5、A6、A7及A8。这是由试制装置的尺寸所决定的，但反过来说，如果能够使用更大尺寸的装置，还可实现超过B5的大尺寸片状全固体锂聚合物充电电池。





部分在先进材料创新中心内试制的设备

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接着，将裁切好的片材置于真空状态（-0.1Mpa左右）下进行加热（+80～+200℃），用大约8小时来排除各层中的水分。干燥后，将负极＋固体电解质的片材与正极片材以固体电解质层与正极层接合的状态进行粘合，并封装到叠层内。在真空状态下（-0.1Mpa左右）对叠层周围进行压接，最后对作为电池端子的电极进行超声波焊接，即可形成片状电池。封装到叠层后的电池厚度为450μm。





制成的片状电池

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另外，此次还在先进材料创新中心对试制的电池进行了放电特性等评测。

　　参与此次片状全固体锂聚合物充电电池开发的有三重县产业支援中心，三重大学新一代电池开发中心、三重县工业研究所、铃鹿工业高等专业学校、金生兴业（Kinseimatec）、KUREHA ELASTOMER、新神户电机、凸版印刷及明成化学工业等。




试制电池的评测装置

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三重县产业支援中心等设想将目前正在开发的全固体锂聚合物充电电池与太阳能电池、电子纸及柔性底板等大面积元件相结合。突出全固体锂聚合物充电电池较薄且可在弯曲状态下使用的特点。三重大学新一代电池开发中心、三重县工业研究所、铃鹿工业高等职业学校、金生兴业（Kinseimatec）、KUREHA ELASTOMER、新神户电机、凸版印刷及明成化学工业等都参与了该全固体锂聚合物充电电池的开发。三重大学研究生院教授兼新一代电池开发中心主任武田保雄担当了主要技术开发。日前武田就全固体锂聚合物充电电池的开发目的等接受了记者的采访。（采访人：大久保 聪）

――请介绍一下实现全固体锂聚合物充电电池的关键点。

武田：全固体锂聚合物充电电池的特性取决于是否能够顺利进行电极与电解质的界面控制。我们开发出了能够在纳米级别上控制数μm厚的电极膜及电解质膜的基础技术。在采用该技术的同时，还努力实现了电池的大面积化和超薄化。另外，还打算通过层叠方式实现多层化。如果能够顺利进行界面控制，就会使多层化顺利实现。

　　多层化是全固体锂聚合物充电电池非常重要的目标。因为本来就很薄，所以即便层叠起来，电池也不会太厚。目前，处于试制阶段的片状全固体锂聚合物充电电池的厚度还不到500μm。这是因为叠层（Laminate）较厚的缘故。不算叠层，厚度仅为100μm。现在，叠层使用的是普通产品，如果使用专用品，片材会变得更薄。

――此前使用聚合物类固体电解质的电池一直存在无法在低温下使用的问题。但此次的全固体锂聚合物充电电池，可在0℃下工作。是通过什么方法，使其能够在低温下工作的？

武田：我们实现了即使固体电解质、正极层及负极层均处于低温环境条件下，各层内的分子间距离不易缩小的特性。这样，锂离子便能在各层间轻松移动，从而可在低于室温时驱动。固体电解质方面，我们在聚环氧乙烷（Polyethylene Oxide）类高分子材料中混入了交联材料，在电子射线照射下，通过交联材料使电极层内的高分子连接在一起，因此，即使在低温条件下，分子间距离也不易缩短。我们还分别在正极层和负极层中加入了高分子材料，通过电子线照射使其交联。

――关于刚才介绍的关键点——界面控制，请介绍一下具体的改进点。

武田：正负极与电解质的界面非常重要。如果不采取任何措施，就会在界面上形成各种中间层，对电池运行造成不良影响。我们在电解质材料中混入了添加剂（高分子材料），即使形成中间层也不会出现问题。电解质的详情不便公开，不过对固体电解质使用的聚环氧乙烷类高分子材料进行了改进。

　　说到全固体电池，很早以前人们就开始探讨固体电解质采用硫（S）类元素的方法。使用硫类元素的全固体电池存在的问题是，电极与固体电解质的界面为点接触状态。这样，界面上的电阻就比较大，无法取出充分的电力。与之相比，聚合物的优点是具有柔性。

啄木鸟

好东西，不知国内状况如何？谢谢jsy版主。