小型固態(tài)電池開啟物聯(lián)網(wǎng)新紀(jì)元

作為傳統(tǒng)鋰離子電池的替代品，固態(tài)電池的開發(fā)工作目前正在全球范圍內(nèi)展開。這種新一代的電池采用性質(zhì)穩(wěn)定且不易燃的固體電解質(zhì)材料來代替液體，消除了泄漏和著火的風(fēng)險，具有優(yōu)秀的安全性、高可靠性和更長的使用壽命。TDK 成功地實(shí)現(xiàn)了全球首款全陶瓷固態(tài)SMD 電池CeraCharge? 的商業(yè)化，并有望搭載于各種IoT 設(shè)備中。

1   解決傳統(tǒng)鋰離子電池局限性的下一代解決方案

毫不夸張地說，隨著我們進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時代，幾乎所有事物都連接到了互聯(lián)網(wǎng)，要想提高各種智能設(shè)備的普及率，除了緊湊的外形和更強(qiáng)的通信功能之外，高電池性能也是必不可少的。具有高能量密度的鋰離子電池如今被廣泛用于各種電子設(shè)備，例如筆記本電腦、智能手機(jī)和無線耳塞等，并且越來越多地運(yùn)用于無人機(jī)、電動自行車和EV（電動汽車）中。然而，由于鋰離子電池是使用易燃的有機(jī)溶劑電解質(zhì)制成，存在泄漏和著火的風(fēng)險，因此物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商對開發(fā)更安全、更可靠的含有穩(wěn)定電解質(zhì)材料的固態(tài)電池的需求也與日俱增。預(yù)計將來EV 等設(shè)備中的大容量電池也將被固態(tài)電池取代，其市場規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。

由圖1 可見，固態(tài)電池市場在未來10 年內(nèi)預(yù)計將呈指數(shù)增長。

固態(tài)電池的優(yōu)勢是采用固態(tài)電解質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋰離子電池中的液態(tài)電解質(zhì)，可提供較高水平的安全性和更長的使用壽命（如圖2）。

圖1 小型全固態(tài)鋰離子薄型電池的全球市場規(guī)模和預(yù)測（來源：以全球下一代電池市場為基礎(chǔ)：日本矢野經(jīng)濟(jì)研究所2019年主要調(diào)查研究結(jié)果。）

圖2 常規(guī)鋰離子電池與固態(tài)鋰離子電池的對比

2   由TDK率先推出的固態(tài)SMD電池CeraCharge的功能

隨著全球各公司不斷致力于固態(tài)電池的開發(fā)，TDK成功地實(shí)現(xiàn)了全球首款固態(tài)SMD（表面貼裝器件）電池CeraCharge 的商業(yè)化。CeraCharge 是基于TDK 先進(jìn)的積層陶瓷技術(shù)打造的( 圖3)，具有適合量產(chǎn)的優(yōu)勢。

其固體陶瓷電解質(zhì)消除了泄漏和著火的風(fēng)險，同時具備其他實(shí)用特性，包括：1.5 V 的標(biāo)稱電壓，100 μAh 的容量，-20~80 ?C 的工作溫度范圍。此外，其SMD 型設(shè)計便于放置電池，從而有助于降低組裝成本。由于具有尺寸小、安全性高和使用壽命長的優(yōu)勢，它很適合搭載在各種環(huán)境下使用的IoT 設(shè)備中。

圖3 CeraCharge?固態(tài)電池的橫截面（示意圖）

3   運(yùn)用于烹飪溫度計

芯片大小的安全固態(tài)電池CeraCharge 正在逐步應(yīng)用到各種IoT 產(chǎn)品中。其中一種應(yīng)用就是2020 年12 月推出的烹飪溫度計產(chǎn)品。這款新產(chǎn)品是1 個15 cm 的金屬溫度計探頭（圖4），由丹麥一家生產(chǎn)烹飪溫度計系列產(chǎn)品的CookPerfect 公司出品，配備有5 個溫度傳感器，1 個BLE（藍(lán)牙低能耗）通信模塊以及TDK 的CeraCharge。只需插入此探頭，即可通過智能手機(jī)實(shí)時監(jiān)測烤箱內(nèi)烤肉的內(nèi)部溫度。借助這一突破性的產(chǎn)品，人們能夠在理想的溫度下烹飪圣誕節(jié)烤肉等各種肉類。

CookPerfect 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事總經(jīng)理Martin Kloster表示：“當(dāng)我們在2016 年開始設(shè)計CookPerfect 時，根本沒有哪一種電池技術(shù)可以支持在5 個點(diǎn)進(jìn)行測量，運(yùn)行復(fù)雜的算法，并且可以內(nèi)置到相應(yīng)裝置中。但是借助CeraCharge，我們得以打造首個‘真正的無線’溫度計?！盞loster 提到，可靠性和安全性非常重要，因?yàn)檫@些溫度計將直接插入到食物中并用于高溫烤箱和烤架。

“絕對不能有任何化學(xué)泄漏。我們還需要較高的工作溫度范圍，可以承受在烤箱內(nèi)部使用。固態(tài)的CeraCharge沒有泄漏的風(fēng)險，其體積小到可以安裝到3.7 mm 直徑的裝置中，并且可以承受高達(dá)85 ?C 溫度，這就是我們選擇將它用在產(chǎn)品中的主要決定因素?！?/p>

圖4 CookPerfect的無線肉類溫度計

例如此類將溫度傳感器與通信功能結(jié)合在一起的烹飪溫度計，隨著配備各種傳感器的設(shè)備的不斷普及，一個全面的物聯(lián)網(wǎng)社會即將來臨。隨著市場對各種尺寸和規(guī)格電池的需求不斷增長，目前正在考慮將CeraCharge集成到各種設(shè)備中，包括用于智能儀表、可穿戴設(shè)備和智能傳感器的實(shí)時時鐘(RTC)。

作為全球率先將固態(tài)電池商業(yè)化的公司，TDK 將繼續(xù)致力于擴(kuò)大其產(chǎn)品系列，同時提高其微型化程度和容量，以覆蓋更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。CeraCharge 將一如既往地為快速擴(kuò)張的物聯(lián)網(wǎng)市場提供有力支持。從簡單的小工具到規(guī)格復(fù)雜的設(shè)備，各種工業(yè)和消費(fèi)類IoT 設(shè)備日益需要緊湊、安全且可靠的電源。為了滿足這些需求，TDK 開發(fā)了全球首款可充電固態(tài)SMD電池CeraCharge（如圖5）。

圖5 CeraCharge?固態(tài)電池

（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第1期。）