粉體技術(shù)的價值，算是被日本人給徹底“玩”明白了

隨著電子設(shè)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(zhì)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(xì)化的粉體技術(shù)對低成本、大規(guī)模生產(chǎn)鈦酸鋇粉體及MLCC產(chǎn)品至關(guān)重要。

MLCC的結(jié)構(gòu)圖

據(jù)中國粉體網(wǎng)小編了解，全球MLCC行業(yè)領(lǐng)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(xì)化技術(shù)，而且還正在推進(jìn)利用MLCC粉體技術(shù)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(shù)來實現(xiàn)。目前，電介質(zhì)單層厚度已可控制在1μm以下。實現(xiàn)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(zhì)材料。但BaTiO?的微粒子化會引發(fā)介電常數(shù)降低的問題。因此，需要在微粒子化的同時保持高結(jié)晶性（四方晶性），以抑制介電常數(shù)的下降。

MLCC的制造過程包括：將電介質(zhì)粉末材料與有機(jī)溶劑等混合均勻化→形成電介質(zhì)生片→在生片上印刷內(nèi)電極→層疊至預(yù)定層數(shù)→成型→切割成單個芯片→脫脂燒成→形成外部電極。電介質(zhì)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(dǎo)致產(chǎn)品不良。因此，生片的表面平滑性和粉體高密度填充至關(guān)重要。這就要求BaTiO3粉體除了具備前述的微細(xì)、窄粒度分布和高結(jié)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(rèn)為液相法有利于獲得微細(xì)顆粒，而固相法因需要高溫?zé)崽幚恚幱诓焕匚弧Ｈ欢栒T電通過對TiO2和BaCO3原料的微細(xì)化、混合分散及預(yù)燒技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)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(jī)、介質(zhì)攪拌磨等粉碎機(jī)或高效分散機(jī)。這些方法在提高混合均勻性的同時，會因摩擦、沖擊等機(jī)械力導(dǎo)致粉體的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化（機(jī)械化學(xué)效應(yīng)）。在水或羥基存在下，對異種金屬氧化物進(jìn)行混合研磨，會在應(yīng)力下引起氧化物表面塑性變形并伴隨原子擴(kuò)散。因此，利用此效應(yīng)可容易地使反應(yīng)進(jìn)行，高效獲得目標(biāo)生成物（用于合成復(fù)合氧化物前驅(qū)體）。對于BaTiO?的固相合成（通常需要1000°C以上的溫度），利用此效應(yīng)降低反應(yīng)溫度的研究正在進(jìn)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(jié)果，可在低溫下大量且均勻地生成BaTiO3核。這被認(rèn)為是合成窄粒度分布BaTiO3粒子的關(guān)鍵。

超細(xì)原料800℃加熱合成所得40nm BaTiO3微細(xì)顆粒的SEM圖像

應(yīng)用MLCC技術(shù)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(dǎo)率的固體電解質(zhì)替代傳統(tǒng)的有機(jī)電解液，以期同時兼顧安全性和高性能。太陽誘電認(rèn)為，對于氧化物系固體電解質(zhì)，通過采用與MLCC相同的全固態(tài)電池結(jié)構(gòu)，有望解決低離子電導(dǎo)率的問題。一是通過減薄固體電解質(zhì)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(shù)可實現(xiàn)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(jī)器數(shù)量的增大，預(yù)計對小型、高安全性、能在嚴(yán)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(yīng)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(zhì)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(dǎo)率的NASICON型Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(LAGP)固體電解質(zhì)。活性物質(zhì)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(fù)極材料則新開發(fā)了TiTa2-xNbxO7，旨在改善與NASICON型LATP固體電解質(zhì)在低電位下共燒時的反應(yīng)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(zhì)層，這就要求材料LAGP具有微細(xì)且窄的粒度分布。太陽誘電將BaTiO3粉體的固相合成技術(shù)應(yīng)用于LAGP的合成，成功合成了平均粒徑200nm以下的微細(xì)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(xiàn)了無缺陷的多積層結(jié)構(gòu)，形成了與MLCC結(jié)構(gòu)相同的全并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)。實驗數(shù)據(jù)顯示隨著積層數(shù)（電池數(shù)）增加，放電容量隨之增大。這表明通過固體電解質(zhì)生坯片的薄層化和增加積層數(shù)，有望進(jìn)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(yīng)用MLCC技術(shù)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(zhì)支撐或電極支撐），存在機(jī)械強(qiáng)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(shù)、積層技術(shù)、與金屬的共燒技術(shù)，正在開發(fā)具備薄層電解質(zhì)的高性能MS-SOFC。他們采用粉體材料與有機(jī)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(zhì)層厚度極薄，僅為4μm。他們認(rèn)為電解質(zhì)的薄層化抑制了電解質(zhì)本身的電阻，從而實現(xiàn)了高性能。

太陽誘電第三世代金屬支持型（MS-SOFC）

小結(jié)

固相法作為微粒子材料合成方法，是MLCC制造的基礎(chǔ)科學(xué)。太陽誘電正是通過固相合成技術(shù)，成功制備了數(shù)十納米級的微細(xì)BaTiO3粒子，并借此實現(xiàn)了500nm以下的薄層化，使MLCC的小型大容量化成為可能。應(yīng)用此技術(shù)，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?qū)⒎垠w技術(shù)融會貫通、統(tǒng)一到不同應(yīng)用領(lǐng)域里的產(chǎn)品制造過程當(dāng)中呢？我在太陽誘電的官方資料中發(fā)現(xiàn)了至關(guān)重要的三點，這三點恐怕不是一次“深度考察”就能夠?qū)W到的。

第一點，企業(yè)價值提升的源泉——“趣味科學(xué)”。

為了研發(fā)出MLCC這些體積雖微小卻至關(guān)重要的電子元件，并不斷對其進(jìn)行改進(jìn)，最終將這些產(chǎn)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(shù)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(xiàn)一些全新的東西，或是靈光一現(xiàn)，從而實現(xiàn)革命性的發(fā)明，開拓出新的研究領(lǐng)域，為意想不到的未來打開了大門。太陽誘電自認(rèn)為支撐這一切過程的基礎(chǔ)，正是作為其企業(yè)價值提升源泉的“趣味科學(xué)”。

【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(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)——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(zhuǎn)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(jù)自身需求自由調(diào)節(jié)輔助力度與能量回收的程度，從而讓這款產(chǎn)品能夠靈活適應(yīng)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(guān)注員工福祉”。

太陽誘電的創(chuàng)始人認(rèn)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(xiàn)企業(yè)的社會責(zé)任、公益性和公共價值。其現(xiàn)任社長認(rèn)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(xiàn)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(jīng)營方針，包括“致力于改善當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的生活環(huán)境”，以及“承擔(dān)對股東的責(zé)任”，并始終致力于與所有利益相關(guān)方建立互利共贏的關(guān)系。

【圖注：以上是太陽誘電的人事部職員，在公司官網(wǎng)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(chǎn)品和技術(shù)。”】

第三點，產(chǎn)品設(shè)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(chǎn)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(chǎn)品的設(shè)計與制造。正因如此，他們的產(chǎn)品在多個領(lǐng)域都獲得了極高的評價——這些領(lǐng)域包括智能手機(jī)和平板電腦等電子設(shè)備、正在受到信息技術(shù)與電子技術(shù)強(qiáng)烈影響的汽車行業(yè)，以及信息基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。

（圖注：以上是太陽誘電開發(fā)研究所材料科學(xué)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(jīng)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(jì)于事’的階段，即便存在不確定性，也必須勇于‘嘗試’。我認(rèn)為，這種態(tài)度至關(guān)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。”）