TechInsights關(guān)于蘋果智能手表金屬殼電池的探討——一種適用于便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品的新穎設(shè)計

在消費性電子產(chǎn)品中，可穿戴設(shè)備是外形尺寸最受限制的一類。制造商們試圖通過小巧輕便的設(shè)備實現(xiàn)高級功能并提高處理水平和蓄能水平。無論是否發(fā)生溫度變化、振動和沖擊，可穿戴設(shè)備均必須能承受頻繁充電并長期安全運行。根據(jù)我們的產(chǎn)品級別的拆解結(jié)果分析(Tear Down)，TechInsights對各類可穿戴產(chǎn)品進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)，在外形尺寸方面，相當(dāng)一部分電池選用了軟包形式(pouch cell)。而蘋果手表獨樹一幟。2019年，Apple Watch 5系列智能手表（包括40 mm款和44 mm款）問世。TechInsights在該系列的40 mm款手表中首次發(fā)現(xiàn)了采用金屬殼的電池。為了進(jìn)一步研究金屬殼的相關(guān)應(yīng)用，我們決定通過分析Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）來描述金屬殼電池的特征，從而探明使用金屬殼而非軟包的原因。

有關(guān)這種電池的更多詳情和分析，可參見“德賽（Desay）A2663金屬殼電池（Apple Watch 7系列智能手表-41 mm）概要”報告?？赏ㄟ^訂閱TechInsights充電電池概要獲得該報告。

電池外形綜述：

TechInsights發(fā)現(xiàn)，絕大部分鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)由四大部分組成：1）涂覆在鋁箔上的陰極材料（消費性電子產(chǎn)品通常采用LiCoO2），2）作為陽極材料涂覆在銅箔上的層狀石墨，3）由溶于有機(jī)溶劑（通常為碳酸鹽）的鋰鹽溶液制成的離子導(dǎo)電電解質(zhì)（通常為液體），以及4）由聚乙烯和聚丙烯層制成，并設(shè)置在陽極和陰極之間，以避免短路的絕緣隔板。基于這些部件，目前市場上有四種主要的鋰離子電池配置（ 形狀因數(shù)），即圓柱形蓄電池、方形蓄電池、軟包電池和鈕扣式電池，如下圖所示。

圖1：最常見的鋰離子電池類型^【1】

軟包電池的普及

軟包電池是消費性電子產(chǎn)品中最常見的外形規(guī)格，因為它們可以定制為不同的尺寸，以最大限度地利用設(shè)備中的可用空間，并達(dá)到90%-95%的封裝效率。

在軟包電池設(shè)計中，陽極、陰極和隔板的堆疊層被裝入一個軟外殼中。電池外殼常由兩面都層壓有有機(jī)聚合物的鋁箔制成。電池外殼的密封多層壓板可以防止鋰電池的電極組件與外界的水分、氧氣和其他污染物發(fā)生反應(yīng)。密封的多層板還防止或減少了電解質(zhì)的任何泄漏，從而避免損壞便攜電子設(shè)備的其他組件。

軟包電池及安全性

為許多裝置中的軟包電池外殼設(shè)定了最小臨界距離。最小臨界距離系指電池外殼（或者是某些實施例中的封印的邊緣）邊緣與其周邊元件的距離。如果軟包寬度小于最小臨界距離，那么可能會出現(xiàn)撕裂或破裂，并且密封可能容易失效，尤其是循環(huán)過程中受到明顯的沖擊或遇到膨脹時。

引進(jìn)金屬殼電池

如前文所述，2019年，TechInsights首次在蘋果手表中遇到了金屬殼電池。進(jìn)一步的調(diào)查顯示，蘋果在同一年申請了一項金屬殼電池的專利，截止本文撰寫時，該專利仍在申請中。 該專利描述了它為何屬于“減少電池和電子元件間空間的改良電池”。專利詳細(xì)說明了如何優(yōu)化電子設(shè)備中的可用空間，而不需要電池外殼和電子設(shè)備中的其他組件之間的間距。在一些設(shè)計中，金屬外殼可連接到公共接地，以允許其他組件接觸電池外殼，而不會導(dǎo)致短路。此外，金屬外殼可以用作電子設(shè)備中的結(jié)構(gòu)元件。例如，支架可以連接到金屬外殼，或者兩個外殼件之間的凸緣可以作為連接點。

對Apple Watch  7系列智能手表（41mm）及其金屬殼電池進(jìn)行逆向工程

在TechInsights，我們打開了一個Apple Watch 7系列智能手表（41mm），目的是為了對它的金屬殼電池進(jìn)行描述。圖2顯示了卸下顯示屏后的設(shè)備內(nèi)部及其電池。

圖2：卸下顯示屏后Apple Smartwatch Series 7 （41mm）的拆解圖。

表1比較了Apple Watch 7系列智能手表（41mm）電池與更大版本的電池（兩種電池均由德賽集團(tuán)生產(chǎn)）。結(jié)果顯示，金屬殼設(shè)計在不損害面積容量（單位面積容量）的情況下減少了10%的覆蓋面積。然而，它的能量密度（單位體積的能量）比大表低19%。Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）中，電池的高寬比為0.193，明顯大于45 mm版本。查看實物之后，我們確認(rèn)金屬外殼連接到公共接地點，以允許其他元件接觸電池外殼，而不會導(dǎo)致短路。

表1：Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）和（45 mm）電池的比較

電池特性分析

為了進(jìn)一步分析電池，Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）的電池組被拆除，并在C/20下使用差分容量分析（DCA）進(jìn)行測試。為了將結(jié)果與其更大的同系列產(chǎn)品進(jìn)行比較，TechInsights根據(jù)電池容量（dq/dV除以電池容量）對dq/dV值進(jìn)行了歸一化處理。如圖3所示，兩種電池的化學(xué)性質(zhì)相似，陰極為鋰鈷氧化物，陽極為石墨。

圖3：Apple Watch 7系列智能手表 （41 mm）的電池與較大尺寸相比的微分電容曲線。

在不同的充電狀態(tài)（SOC）下，使用電化學(xué)阻抗法（EIS）分析Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）電池的阻抗和內(nèi)阻。通過施加5 mV振幅的正弦信號，在3 kHz至50 mHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行EIS測量。圖4以奈奎斯特圖的形式給出了相應(yīng)的結(jié)果。不同光譜比較表明它們具有相似的趨勢。一般來說，每個頻譜由兩個中高頻率的半圓組成，然后還有一條低頻區(qū)的45°線。實軸和虛軸的截距表示總電阻等于110mΩ。第一個半圓代表電池的固體電解質(zhì)界面，而第二個半圓代表陽極和陰極的電化學(xué)反應(yīng)。45^?線對應(yīng)鋰離子的擴(kuò)散。每個半圓的直徑之和表示對電化學(xué)現(xiàn)象的電阻。對于完全放電的電池，該值為~0.4Ω；隨著電池充電，充電電阻下降35%。

圖4：Apple Watch 7系列智能手表（41mm）電池在充電狀態(tài)為3%、25%、50%、75%和100%時的奈奎斯特圖。

通常情況下，容量越小的電池內(nèi)阻越高。然而，就Apple Watch 7系列智能手表的電池而言，較小版本的電池與較大版本的電池相比，阻抗相似。（圖5）

圖5： Apple Watch 7系列智能手表（41mm和 44 mm）的電池在SOC為3%和75%時的奈奎斯特圖。

電池結(jié)構(gòu)和物理分析

為了更深入地了解電池的設(shè)計和化學(xué)性質(zhì)，我們拆開了電池，以了解盒內(nèi)電池的結(jié)構(gòu)和堆疊的層數(shù)。圖6顯示了拆下金屬殼后的電池。陽極集電器焊接到鎳極耳（陽極電極）上，鎳極耳焊接到金屬外殼上，形成整個金屬殼的共用接地。陰極集電器連接到鋁極耳上。然而，塑料密封可以防止陰極接頭接觸金屬，從而導(dǎo)致短路，如圖所示。為了防止極芯和拉環(huán)之間任何可能的直接接觸，金屬軟殼內(nèi)裝了一個聚合物板，如圖所示。

圖6：打開金屬殼后Apple Watch 7系列智能手表 (41mm）電池的拆解圖。

電極結(jié)構(gòu)分析

圖7展示了電極的SEM（掃描電子顯微鏡）橫截面顯微圖。能量色散X射線能譜（EDX）分析證明，該電池的化學(xué)成分主要基于鈷氧基陰極和石墨基陽極。電活性材料的厚度和相對較薄的集電器為最大化能量密度提供了最佳條件，而不會損害該電池的功率處理能力。

圖7：詳細(xì)的電池堆疊–Apple Watch 7系列智能手表（41mm）電池的SEM橫截面。

這種電池的隔膜是一種有機(jī)聚合物，兩面都涂有陶瓷層，德賽使用了一種特殊的陶瓷來提高電池在熱失控情況下的安全性。

圖8：Apple Watch 7系列智能手表（41mm）電池金屬殼的SEM橫截面圖。

電池尺寸探討

金屬殼電池尺寸的目標(biāo)之一是縮小電池的尺寸。這就引出了一個問題，如果極芯（圖6）被裝在傳統(tǒng)的聚合物外殼中會怎樣？聚合物外殼通常更厚，厚度~100μm，使電池的總厚度在寬度、長度和高度方面增加了200μm（0.2mm）。其次，如果是聚合物軟包電池，不可能將外殼內(nèi)的整個主體和設(shè)備的其他電子元件連接到公共接地，這樣會失去其他安全特性。此外，電池的膨脹無法控制，因為這種設(shè)計讓金屬殼以一種可控的方式膨脹，如報告【2】所示。

還可能具有專利中未明確描述的其他優(yōu)勢。這種電池的循環(huán)壽命可能會更長，因為外殼的壓縮可以防止循環(huán)過程中電池層的分層。

總結(jié)：

在這篇材料中，TechInsights回顧了Apple Smartwatch Series 7（41mm）智能手表系列申請專利并由德賽公司制造的鋰離子電池的新設(shè)計。本設(shè)計中，電池的極芯被裝在一個不銹鋼外殼中，整個外殼與電池的負(fù)極相連。電池陰極由CoO₂組成，陽極由石墨組成。電極被兩面涂有陶瓷的聚合物隔開。與標(biāo)準(zhǔn)的軟包電池相比，這個新的實施例提供了以下所述的幾大優(yōu)點。

這種新設(shè)計不會增加電池的能量密度；然而，它減少了電池和其他元件之間所需的間距，從而可以在保持電池安全的同時，生產(chǎn)更小的消費性電子產(chǎn)品。在這種設(shè)計中，電極裝置與外殼電耦合以形成共用接地點，從而允許其他部件接觸電池外殼，而不會導(dǎo)致短路或腐蝕部件。此外，如果存在膨脹，這種新的軟包設(shè)計允許鼓包，從而使電池的整體尺寸保持不變。

有關(guān)這種電池的更多詳情和分析，可參見“德賽（Desay）A2663金屬殼電池（Apple Watch 7系列智能手表-41 mm）概要”報告。可通過訂閱TechInsights充電電池概要獲得該報告。^[3]

References

● Yuan, X., H. Liu, and J. Zhang.      "Lithium-ion batteries: advanced materials and technologies.      CRC." (2011).

● Pelletier, David M., et al.      "Metal can battery." U.S. Patent Application No. 16/883,959.

● TechInsights對于Desay A2663 Metal Can Battery的分析報告鏈接Report