中國粉體網訊 隨著電子設備的小型化、多功能化發展，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行業領軍企業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粉體技術開發氧化物系全固態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。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技術開發全固態電池
全固態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、能在嚴苛環境下使用的電池需求將會增高。因此，太陽誘電正在開發兼具“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。
同尺寸全固態電池與MLCC的外觀比較：MLCC(左)，全固態電池(右)
應用MLCC技術開發固體氧化物燃料電池
固體氧化物燃料電池（SOFC）是燃料電池中發電效率最高的一種。近年來，與發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：為什么日本企業能夠將粉體技術融會貫通、統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，企業價值提升的源泉——“趣味科學”。
為了研發出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。太陽誘電憑借多年積累的實力，有時會偶然發現一些全新的東西，或是靈光一現，從而實現革命性的發明，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展的技術——其名為“FEREMO”的再生電動助力系統。該系統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，企業管理理念的根基——“關注員工福祉”。
太陽誘電的創始人認為，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，在工作中充滿活力，并充分發揮自己的能力，是太陽誘電實現價值創造的核心所在。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的生活環境”，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，去創造那些世界上還不存在的產品和技術。”】
第三點，產品設計與制造的源頭——“粉體材料研發”。
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，以及信息基礎設施和工業設備領域。
（圖注：以上是太陽誘電開發研究所材料科學研究室的一位職員，他在材料研發工作中的感悟：“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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