中國粉體網訊 隨著電子設備的小型化、多功能化發(fā)展，對多層陶瓷電容器（MLCC）也提出了小型大容量化的要求。MLCC是一種通過交替層疊厚度不足1μm的薄層電介質陶瓷層和Ni金屬層，并一體燒成制成的小型大容量電容器。其主要原料是鈦酸鋇（BaTiO3）粉體，高度精細化的粉體技術對低成本、大規(guī)模生產鈦酸鋇粉體及MLCC產品至關重要。
MLCC的結構圖
據中國粉體網小編了解，全球MLCC行業(yè)領軍企業(yè)日本太陽誘電不僅精通鈦酸鋇粉體物性的高度精細化技術，而且還正在推進利用MLCC粉體技術開發(fā)氧化物系全固態(tài)鋰電池和金屬支撐型固體氧化物燃料電池（MS-SOFC）。
MLCC與BaTiO3粉體
MLCC的小型大容量化主要通過減小單層厚度和增加積層數來實現。目前，電介質單層厚度已可控制在1μm以下。實現薄層化要求使用粒度分布窄、一次粒子在200nm以下的BaTiO3電介質材料。但BaTiO₃的微粒子化會引發(fā)介電常數降低的問題。因此，需要在微粒子化的同時保持高結晶性（四方晶性），以抑制介電常數的下降。
MLCC的制造過程包括：將電介質粉末材料與有機溶劑等混合均勻化→形成電介質生片→在生片上印刷內電極→層疊至預定層數→成型→切割成單個芯片→脫脂燒成→形成外部電極。電介質層通過流延法或印刷法形成。即使形成1000層以上的生片，若生片表面存在缺陷或凹凸，也會導致產品不良。因此，生片的表面平滑性和粉體高密度填充至關重要。這就要求BaTiO3粉體除了具備前述的微細、窄粒度分布和高結晶性外，還需弱凝聚性和優(yōu)異的分散性。
MLCC的制造流程圖
BaTiO3的合成方法有固相法、液相法（如水熱法、溶劑熱法）和草酸鹽法。通常認為液相法有利于獲得微細顆粒，而固相法因需要高溫熱處理，處于不利地位。然而，太陽誘電通過對TiO2和BaCO3原料的微細化、混合分散及預燒技術的進步，現已能夠通過固相法獲得可與液相法媲美的BaTiO3粉體物性。
太陽誘電研究人員解釋道，通常粉體原料的粉碎混合使用球磨機、介質攪拌磨等粉碎機或高效分散機。這些方法在提高混合均勻性的同時，會因摩擦、沖擊等機械力導致粉體的物理和化學性質發(fā)生變化（機械化學效應）。在水或羥基存在下，對異種金屬氧化物進行混合研磨，會在應力下引起氧化物表面塑性變形并伴隨原子擴散。因此，利用此效應可容易地使反應進行，高效獲得目標生成物（用于合成復合氧化物前驅體）。對于BaTiO₃的固相合成（通常需要1000°C以上的溫度），利用此效應降低反應溫度的研究正在進行。
此外，干式球磨處理粉碎了原料粒子，特別是使BaCO3處于容易脫除CO2的活性狀態(tài)。并且，高混合均勻性使解離的Ba容易與TiO2相遇，其結果，可在低溫下大量且均勻地生成BaTiO3核。這被認為是合成窄粒度分布BaTiO3粒子的關鍵。
超細原料800℃加熱合成所得40nm BaTiO3微細顆粒的SEM圖像
應用MLCC技術開發(fā)全固態(tài)電池
全固態(tài)電池是近年來的研究熱點，它使用具有高離子電導率的固體電解質替代傳統(tǒng)的有機電解液，以期同時兼顧安全性和高性能。太陽誘電認為，對于氧化物系固體電解質，通過采用與MLCC相同的全固態(tài)電池結構，有望解決低離子電導率的問題。一是通過減薄固體電解質層來縮短離子移動距離，解決了離子移動難的問題；同時，通過增加積層數可實現容量提升。
積層型全固態(tài)電池截面示意圖
未來，隨著IoT社會的滲透和機器數量的增大，預計對小型、高安全性、能在嚴苛環(huán)境下使用的電池需求將會增高。因此，太陽誘電正在開發(fā)兼具“薄膜電池的響應性”和“塊狀電池的容量密度”的小型全固態(tài)電池。
太陽誘電之所以選擇氧化物系固體電解質是因為它在大氣中的穩(wěn)定性和耐還原性，他們選擇了含Ti且具有相對較高電導率的NASICON型Li1+xAlxGe2-x(PO4)3 (LAGP)固體電解質。活性物質方面，考慮到共燒成，正極選擇了同是含P化合物且能在近5V高電位工作的LiCoPO4(LCP)。負極材料則新開發(fā)了TiTa2-xNbxO7，旨在改善與NASICON型LATP固體電解質在低電位下共燒時的反應性。
對于積層型全固態(tài)電池，需要極力縮短電極間距離，減薄固體電解質層，這就要求材料LAGP具有微細且窄的粒度分布。太陽誘電將BaTiO3粉體的固相合成技術應用于LAGP的合成，成功合成了平均粒徑200nm以下的微細LAGP。
然后，使用該材料制作空隙少、致密平滑的生坯片。再利用所得生坯片，采用與MLCC制造相同的工藝制作積層型全固態(tài)電池，實現了無缺陷的多積層結構，形成了與MLCC結構相同的全并聯連接結構。實驗數據顯示隨著積層數（電池數）增加，放電容量隨之增大。這表明通過固體電解質生坯片的薄層化和增加積層數，有望進一步提高容量密度。
同尺寸全固態(tài)電池與MLCC的外觀比較：MLCC(左)，全固態(tài)電池(右)
應用MLCC技術開發(fā)固體氧化物燃料電池
固體氧化物燃料電池（SOFC）是燃料電池中發(fā)電效率最高的一種。近年來，與發(fā)電和可再生能源組合的燃料制造裝置SOEC（固體氧化物電解電池）也已開始商業(yè)化。SOFC通常采用陶瓷作為支撐體（電解質支撐或電極支撐），存在機械強度低的問題。其堆疊組裝時的可靠性和耐熱沖擊性低，是商品化的巨大障礙。
因此，太陽誘電著眼于支撐體使用金屬的MS-SOFC，利用MLCC的薄層形成技術、積層技術、與金屬的共燒技術，正在開發(fā)具備薄層電解質的高性能MS-SOFC。他們采用粉體材料與有機溶劑混合后流延制成生坯片。隨后通過印刷、積層、共燒獲得電池。太陽誘電制作的MS-SOFC電解質層厚度極薄，僅為4μm。他們認為電解質的薄層化抑制了電解質本身的電阻，從而實現了高性能。
太陽誘電第三世代金屬支持型（MS-SOFC）
小結
固相法作為微粒子材料合成方法，是MLCC制造的基礎科學。太陽誘電正是通過固相合成技術，成功制備了數十納米級的微細BaTiO3粒子，并借此實現了500nm以下的薄層化，使MLCC的小型大容量化成為可能。應用此技術，也成功制作了全固態(tài)電池和固體氧化物燃料電池。
那么問題來了：為什么日本企業(yè)能夠將粉體技術融會貫通、統(tǒng)一到不同應用領域里的產品制造過程當中呢？我在太陽誘電的官方資料中發(fā)現了至關重要的三點，這三點恐怕不是一次“深度考察”就能夠學到的。
第一點，企業(yè)價值提升的源泉——“趣味科學”。
為了研發(fā)出MLCC這些體積雖微小卻至關重要的電子元件，并不斷對其進行改進，最終將這些產品推廣到社會的各個角落，太陽誘電不斷尋求新的知識，不斷提升自身的技術水平和技能素養(yǎng)。太陽誘電憑借多年積累的實力，有時會偶然發(fā)現一些全新的東西，或是靈光一現，從而實現革命性的發(fā)明，開拓出新的研究領域，為意想不到的未來打開了大門。太陽誘電自認為支撐這一切過程的基礎，正是作為其企業(yè)價值提升源泉的“趣味科學”。
【圖注：太陽誘電公司推出了一項旨在推動電動助力自行車進一步發(fā)展的技術——其名為“FEREMO”的再生電動助力系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在下坡行駛或減速時將動能高效地轉化為電能，使得單次充電后最長可支持1000公里的輔助騎行距離。用戶可以根據自身需求自由調節(jié)輔助力度與能量回收的程度，從而讓這款產品能夠靈活適應各種不同的使用場景和目的�！�
第二點，企業(yè)管理理念的根基——“關注員工福祉”。
太陽誘電的創(chuàng)始人認為，只有讓員工及其家人過上幸福而富足的生活，才能真正實現企業(yè)的社會責任、公益性和公共價值。其現任社長認為，讓每一位擁有獨特個性的員工都能保持健康狀態(tài)，在工作中充滿活力，并充分發(fā)揮自己的能力，是太陽誘電實現價值創(chuàng)造的核心所在。正是基于這一理念，他們制定了系列的經營方針，包括“致力于改善當地社區(qū)的生活環(huán)境”，以及“承擔對股東的責任”，并始終致力于與所有利益相關方建立互利共贏的關系。
【圖注：以上是太陽誘電的人事部職員，在公司官網上赫然寫著他們的一段話：“肯定有一些人，能夠在我們這種以人為核心的獨特環(huán)境中迅速成長、大放異彩。請不要猶豫，首先就來敲響我們公司的門吧。對于那些希望加入太陽誘電公司的各位來說，我們希望你們不要僅僅成為公司體制中的齒輪，而是能夠主動思考、積極行動，去創(chuàng)造那些世界上還不存在的產品和技術�！薄�
第三點，產品設計與制造的源頭——“粉體材料研發(fā)”。
為了提供能夠滿足客戶和社會需求的產品，太陽誘電堅信必須從材料研發(fā)階段（包括粉體原料的合成以及顆粒尺寸的控制等）就開始著手產品的設計與制造。正因如此，他們的產品在多個領域都獲得了極高的評價——這些領域包括智能手機和平板電腦等電子設備、正在受到信息技術與電子技術強烈影響的汽車行業(yè)，以及信息基礎設施和工業(yè)設備領域。
（圖注：以上是太陽誘電開發(fā)研究所材料科學研究室的一位職員，他在材料研發(fā)工作中的感悟：“我們公司所使用的電子陶瓷材料，至今仍有許多人類尚未完全理解的奇妙之處。正因如此，在經過充分思考并聽取周圍人的意見后，一旦到了‘再怎么思考也無濟于事’的階段，即便存在不確定性，也必須勇于‘嘗試’。我認為，這種態(tài)度至關重要——因為只有通過謙遜地傾聽大自然的聲音，我們才能突破人類自身的陳舊觀念和固有偏見。”）
（中國粉體網編輯整理/平安）
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