2014年04月02日08:08
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东芝推出0.65mm业界最小尺寸照明用白色LED，以晶圆级CSP技术实现
从事半导体测量器具业务的日本MICRONICS公司与材料应用风险企业GUALA TECHNOLOGY公司（总部神户市）共同开发出了新原理二次电池“battenice”的量产技术（图1）。2014年内将开始样品供货。
备受关注的新款电池（在“第5届［国际］二次电池展”上）
新电池具备锂离子二次电池所没有的几个特点：第一，能以低成本方法制成薄膜状。设想用于以下用途：嵌入可穿戴设备、与薄膜太阳能电池和柔性照明器具及显示器结合使用、植入印刷基板等。通过贴合薄膜，还能制成各种形状。
第二，采用全固体构造，无须担心液漏；不使用可燃性材料，不会起火；不使用稀有金属和稀土。现在已能实现1万次以上的充放电。
日本MICRONICS公司预计投产时可实现输出电压1.5V、能量密度500Wh/L、输出密度8000W/L、循环寿命（保持初期容量90％以上的容量）10万次，工作温度范围为-25～+85℃。
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图1：采用新原理，易于实现柔性 试制的100mm见方电池（a）。还制作出了重叠8层薄膜，并联4个电池的试制品（b）。300mm见方、厚11μm的薄膜状电池试制品（c）。在“第5届国际二次电池展”（2014年2月26～28日，东京有明国际会展中心）上，展示了与有机EL照明器具组合使用的试制品（d）。（（a）～（c）由日本MICRONICS公司拍摄） |
不会起火
battenice单位体积的能量密度虽然低于目前常用的锂离子二次电池——“18650”圆柱型单元的650Wh/L，但有望以独有的特点为优势开拓新用途。
在带隙中蓄电
新款电池能以低成本制成薄膜状是因为其充放电过程的原理不同于现有电池。充放电不是通过化学反应，而是利用量子技术进行。存储电力的充电层采用由绝缘膜（绝缘性树脂或无机绝缘物）包裹的n型金属氧化物半导体的微粒子。金属氧化物半导体为二氧化钛（TiO2）、氧化锡（SnO2）和氧化锌（ZnO）等。
通过在制造过程中向充电层照射紫外线，n型金属氧化物半导体的带隙（价带与导带之间的宽度）内会形成很多新的能级。充电时电子进入这些能级，而放电时这些能级中的电子便释放出来，从而起到二次电池的作用。
MICRONICS公司已经试制了尺寸为100mm见方和300mm见方、厚度约为10μm的薄膜状产品。还开发出了重叠32张薄膜的产品。另外，在电池展会“第5届国际二次电池展”（2014年2月26～28日，东京有明国际会展中心）上，展示了在柯尼卡美能达的有机EL照明器具上组合使用薄膜状电池的试制品（图1（d））。方便携带，可以随时点亮薄膜状有机EL照明器具。
制造可利用低成本的连续工艺——卷对卷方式。而且，无需化学电池所需的1～2周老化工艺，这也有助于降低量产成本。
影响卷对卷制造条件等的薄膜基材目前使用不锈钢箔和铝箔等金属。不过，该公司正在开发降低下文专利中写入的300～400℃焙烧温度的技术，因此将来也许可以使用树脂。
根据申请的专利推测制造方法
新型电池的制造技术未公开，不过根据Guala Technology公司申请的专利（WO2012046325A1）可以推测采用了如下的制造方法。
首先，在基板上依次溅射形成负电极（掺锡氧化铟，ITO）和n型金属氧化物半导体层（TiO2）。接着，将脂肪酸钛、硅油和溶剂混合搅拌后旋涂到TiO2层上。在50℃下干燥10分钟，再在300～400℃下焙烧10分钟～1个小时。由此分解脂肪酸钛，形成由硅包裹的TiO2微粒子层。
然后，以20mW/cm2的强度照射波长为254nm的紫外线大约40分钟，以在TiO2的带隙内形成很多有助于充放电的新能级。p型金属氧化物半导体（NiO）和正电极以溅射方式形成。
电极也可以采用金属电极（铜、铜合金、镍、铝、银、金、锌、锡等）。除溅射外，还可考虑离子镀、电子束蒸镀、真空蒸镀、化学蒸镀、电解镀金法、无电解镀金法等形成方法。这些制造方法都写入了专利，估计实际应用时还会用更有效的量产技术。
提高能量密度还有课题
今后，为提高单位体积的能量密度，可以考虑在增加充电层厚度的同时，减薄薄膜基材的方法（ 图2）。
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图2：新款电池的截面图 试制品的基材薄膜采用不锈钢箔，还可以使用重量较轻的铝箔。今后，日本MICRONICS公司将在双面设置充电层，以进一步提高能量密度。 |
目前，加厚充电层比较困难，层数最多只能形成两层。因为技术上很难使紫外线照射的效果在厚度方向一致。另外，如果薄膜基材过薄，制造时又存在难以处理的课题。
如果解决了这些课题，还能在目前预计的500Wh/L能量密度的基础上进一步提高。（作者：狩集 浩志、富冈 恒宪，日经技术在线！供稿）
