2014年04月02日08:08
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從事半導體測量器具業務的日本MICRONICS公司與材料應用風險企業GUALA TECHNOLOGY公司（總部神戶市）共同開發出了新原理二次電池“battenice”的量產技術（圖1）。2014年內將開始樣品供貨。
備受關注的新款電池（在“第5屆﹝國際﹞二次電池展”上）
新電池具備鋰離子二次電池所沒有的幾個特點：第一，能以低成本方法制成薄膜狀。設想用於以下用途：嵌入可穿戴設備、與薄膜太陽能電池和柔性照明器具及顯示器結合使用、植入印刷基板等。通過貼合薄膜，還能制成各種形狀。
第二，採用全固體構造，無須擔心液漏﹔不使用可燃性材料，不會起火﹔不使用稀有金屬和稀土。現在已能實現1萬次以上的充放電。
日本MICRONICS公司預計投產時可實現輸出電壓1.5V、能量密度500Wh/L、輸出密度8000W/L、循環壽命（保持初期容量90％以上的容量）10萬次，工作溫度范圍為-25∼+85℃。
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圖1：採用新原理，易於實現柔性 試制的100mm見方電池（a）。還制作出了重疊8層薄膜，並聯4個電池的試制品（b）。300mm見方、厚11μm的薄膜狀電池試制品（c）。在“第5屆國際二次電池展”（2014年2月26∼28日，東京有明國際會展中心）上，展示了與有機EL照明器具組合使用的試制品（d）。（（a）∼（c）由日本MICRONICS公司拍攝） |
不會起火
battenice單位體積的能量密度雖然低於目前常用的鋰離子二次電池——“18650”圓柱型單元的650Wh/L，但有望以獨有的特點為優勢開拓新用途。
在帶隙中蓄電
新款電池能以低成本制成薄膜狀是因為其充放電過程的原理不同於現有電池。充放電不是通過化學反應，而是利用量子技術進行。存儲電力的充電層採用由絕緣膜（絕緣性樹脂或無機絕緣物）包裹的n型金屬氧化物半導體的微粒子。金屬氧化物半導體為二氧化鈦（TiO2）、氧化錫（SnO2）和氧化鋅（ZnO）等。
通過在制造過程中向充電層照射紫外線，n型金屬氧化物半導體的帶隙（價帶與導帶之間的寬度）內會形成很多新的能級。充電時電子進入這些能級，而放電時這些能級中的電子便釋放出來，從而起到二次電池的作用。
MICRONICS公司已經試制了尺寸為100mm見方和300mm見方、厚度約為10μm的薄膜狀產品。還開發出了重疊32張薄膜的產品。另外，在電池展會“第5屆國際二次電池展”（2014年2月26∼28日，東京有明國際會展中心）上，展示了在柯尼卡美能達的有機EL照明器具上組合使用薄膜狀電池的試制品（圖1（d））。方便攜帶，可以隨時點亮薄膜狀有機EL照明器具。
制造可利用低成本的連續工藝——卷對卷方式。而且，無需化學電池所需的1∼2周老化工藝，這也有助於降低量產成本。
影響卷對卷制造條件等的薄膜基材目前使用不鏽鋼箔和鋁箔等金屬。不過，該公司正在開發降低下文專利中寫入的300∼400℃焙燒溫度的技術，因此將來也許可以使用樹脂。
根據申請的專利推測制造方法
新型電池的制造技術未公開，不過根據Guala Technology公司申請的專利（WO2012046325A1）可以推測採用了如下的制造方法。
首先，在基板上依次濺射形成負電極（摻錫氧化銦，ITO）和n型金屬氧化物半導體層（TiO2）。接著，將脂肪酸鈦、硅油和溶劑混合攪拌后旋涂到TiO2層上。在50℃下干燥10分鐘，再在300∼400℃下焙燒10分鐘∼1個小時。由此分解脂肪酸鈦，形成由硅包裹的TiO2微粒子層。
然后，以20mW/cm2的強度照射波長為254nm的紫外線大約40分鐘，以在TiO2的帶隙內形成很多有助於充放電的新能級。p型金屬氧化物半導體（NiO）和正電極以濺射方式形成。
電極也可以採用金屬電極（銅、銅合金、鎳、鋁、銀、金、鋅、錫等）。除濺射外，還可考慮離子鍍、電子束蒸鍍、真空蒸鍍、化學蒸鍍、電解鍍金法、無電解鍍金法等形成方法。這些制造方法都寫入了專利，估計實際應用時還會用更有效的量產技術。
提高能量密度還有課題
今后，為提高單位體積的能量密度，可以考慮在增加充電層厚度的同時，減薄薄膜基材的方法（ 圖2）。
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圖2：新款電池的截面圖 試制品的基材薄膜採用不鏽鋼箔，還可以使用重量較輕的鋁箔。今后，日本MICRONICS公司將在雙面設置充電層，以進一步提高能量密度。 |
目前，加厚充電層比較困難，層數最多隻能形成兩層。因為技術上很難使紫外線照射的效果在厚度方向一致。另外，如果薄膜基材過薄，制造時又存在難以處理的課題。
如果解決了這些課題，還能在目前預計的500Wh/L能量密度的基礎上進一步提高。（作者：狩集 浩志、富岡 恆憲，日經技術在線！供稿）
