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[导读]尼吉康在CEATEC 2019为21ic中国电子网记者揭秘了三星Galaxy Note10的SPen秒充电的秘诀。

近两年提及最多的一个词便是5G,数据显示三星在中国5G市场份额超过30%,其中尤其是Galaxy Note10系列最为亮眼。Note系列一直以其高雅而又智慧的触控笔作为手机的点睛之笔,Note10系列更是搭载了智慧型SPen极大丰富了用户与手机功能的交互。这款SPen最大可待机10小时,并且10分钟以内便可充满电,这其中的秘密究竟为何?

CEATEC 2019期间,记者受邀参加尼吉康(nichicon)展位的参观,现场工作人员为记者解答了其中的秘密。据介绍,去年三星在电容方面采用的是其他公司生产的“EDLC(电气双层电容器)”,而在今年的Note10系列大放光彩的SPen,搭载的则是由尼吉康生产的“小型锂离子可充电电池SLB”,这款锂离子电池不仅电量耐用,充电急速,在寿命、低温性、安全性方面也拥有极佳性能。

搭载尼吉康SLB系列产品的SPen

图1:搭载尼吉康SLB系列产品的SPen

值得一提的是,尼吉康在本次CEATEC 2019上不仅展示了这款非常适用于IoT领域的小型锂离子可充电电池,还带来了许多让人眼前一亮的新产品。


应用广泛的小型锂电子可充电电池“SLB”系列

 

现在所有企业都在谈IoT的时代背景下,移动设备越来越百花齐放,而在此情况下对于电池的充放电、寿命和安全性便达到了更高的层次。

尼吉康现场工作人员告诉记者,EDLC(电气双层电容器)虽然具有良好的功率密度,但能量密度较低,容量很小;而普通锂离子可充电电池虽然相对于铅蓄电池、镍氢电池拥有更诱人的能量密度,但功率密度却很小。所以市场市场需要的是比EDLC更长放电时间,比普通可充电电池更大的充放电电流的产品,因而尼吉康研究生产了这款兼顾大输出功率和大容量的产品。

小型锂离子可充电电池开发背景

图2:小型锂离子可充电电池开发背景

通过对比EDLC与锂电子电池数据参数,尼吉康所研发的“小型锂电子可充电电池SLB”在能量密度上可达40Wh/kg,优于EDLC;在功率密度上达到3kW/kg,可在-30~60℃下使用,周期寿命超过25,000回,并且不会因热失控着火,全面优于锂离子电池。

新蓄电装置在高rate充放电的情况下依然在长寿命和安全性方面具有优势

图3:新蓄电装置在高rate充放电的情况下依然在长寿命和安全性方面具有优势

据现场人员介绍,目前这款产品拥有Φ3x7L、Φ8x11.5L与Φ12.5x40L三款,Φ3x7L已经量产,Φ8x11.5L与Φ12.5x40L提供样品,预计2020年4月开始量产。Φ4x25.5L(5mAh)、Φ8x20L(25mAh)、Φ10x31.5L(60mAh)尺寸目前正在商讨中。

小型锂离子可充电电池SLB型号

图4:小型锂离子可充电电池SLB型号

▍SLB的四个产品特性

据尼吉康介绍,这款产品具有长寿命、急速充放电、低温特性、安全性四个特点。

适用于IoT的SLB系列产品

图5:适用于IoT的SLB系列产品

1、长寿命:上文也对比了EDLC与锂离子电池特性,一般来说普通产品只能充放电2,000 Cycle。在此方面,通过对Φ12.5x40L_150mAh产品试验结果显示,在充放电25,000 Cycle后依然能维持80%以上的容量。

SLB拥有长寿命的的特性

图6:SLB拥有长寿命的的特性

2、急速充电·放电可能:上文中也提及该产品可在10分钟内完成充电。Φ12.5x40L_150mAh产品的急速充放电试验结果显示,在20C大电流充放电的情况下,SLB可实现3分钟内全容量80%的超急速充电,和3分钟内实现超过全容量90%的超急速放电。

SLB系列20C大电流充放电试验结果

图7:SLB系列20C大电流充放电试验结果

3、低温特性:一般来说,普通的锂电子可充电电池在0℃环境下就很难充电了。通过测试显示,SLB在-30℃的寒冷地区虽然性能会稍稍下降,但仍然可以使用。

在低温情况下仍然可以使用

图8:在低温情况下仍然可以使用

4、安全性:值得一提的是,该款产品采用的是LTO材料,所以在压坏、钉扎、Blut Nail试验、外短、过充电、强制放电等强制使内部短路时,发生破裂或着火的可能性非常低,十分安全。

经过严苛测试破裂着火可能性很低

图9:经过严苛测试破裂着火可能性很低

▍SLB具有广泛的应用空间

这款小型锂离子可充电电池目标市场非常广泛,具体包括电子笔、无线耳机、行车记录仪、车载用辅助电源(动力转向、门锁解除、紧急呼叫、ADAS等)、充电式玩具、电动工具、电子香烟、IoT设备(定点观测、状态监视)、穿戴式终端、智能电表、内存备份(家电、工业机器等)、笔记本电脑(CMOS备份)、遥控器等。

除了三星的SPen,现场工作人员也为记者展示了多款实际搭载的示例。通过使用京都大学的薄膜型钙钛矿太阳能电池,Ricoh Electronic Devices Co.,Ltd的电源IC和尼吉康的小型锂离子可充电电池,实现了自立电源型IoT环境传感器系统的构筑。

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图10:环境传感器演示(尼吉康+RICOH+京都大学)

现场还展示了通过使用瑞萨电子株式会社提供的采用SOTB技术的嵌入式控制器和锂离子可充电电池,可以实现利用微量(例如光、震动和流量)环境发电的能量收集物联网设备。

能量收集设备(尼吉康+RENESAS)

图11:能量收集设备(尼吉康+RENESAS)

值得一提的是,因为具有快速充放电能力,根据现场演示,与ROHM株式会社提供的充电控制IC搭配可以实现超快速充电。无独有偶,通过使用特瑞仕半导体株式会社(TOREX)的超小型外壳中封装的LDO低压差线性稳压器和线路开关,可以向Φ3x7L的超小型锂离子可充电电池做节省空间的CCCV充电(稳流稳压充电)。现场,尼吉康还向记者展示了使用ADI公司的线性充电器和降压/升压调节器来驱动各种设备的方案。

与ROHM、TOREX、ADI搭配的充放电解决方案

图12:与ROHM、TOREX、ADI搭配的充放电解决方案

 

业界最高耐温和寿命的电容器新产品

 

除了锂离子可充电电池SLB系列以外,本次CEATEC 2019尼吉康也放出其具有高耐温及长寿命的“铝电解电容器”新产品。

在铝电解电容器方面,尼吉康拥有三种产品,包括“铝电解电容器”、“混合铝电解电容器”、“导电性高分子铝电解电容器”。具体分为芯片型、引线型、基板自立型、螺纹端子型,这三类产品的新产品则均为芯片型。

现场人员介绍表示,”铝电解电容器“拥有较高的电解质的含浸性和诱电体的修复性能,但电介质的比抵抗较高且电解质耐热性相对较差;“导电性高分子铝电解电容器”则与之相反;“混合铝电解电容器”顾名思义是两者的结合,在各方面能力处于两种电容器中间。成本方面,“铝电解电容器”低于“导电性高分子铝电解电容器”,“混合铝电解电容器”处于两者中间。

尼吉康在CEATEC 2019推出的新产品

图13:尼吉康在CEATEC 2019推出的新产品

本次新产品主要集中在于车载、ADAS、发动机ECU和数码家电方面。

CEATEC 2019新技术开发

图14:CEATEC 2019新技术开发

值得一提的是,这几款新产品搭载的是尼吉康在2019年推出的新技术。具体包括“铝电解电容器异常电压对应技术”、“高压用铝电解电容器低温特性改善品”、“105℃ 800V对应电解液开发”。

1、铝电解电容器异常电压对应技术:此次的技术开发将异常电压对应保证温度从以往的常温(15~35ºC)提升至最高使用保证温度(105ºC)。在常温温度范围(15~35ºC)中使用的话,最高对应异常电压从以往的450V提升到500V。

2、高压用铝电解电容器低温特性改善品:通过改善低温特性,抑制电容器在低温中的性能低下。大大改善了-55ºC 120Hz下的容量变化率、阻抗比、以及ESR等性能。

3、105℃ 800V对应电解液开发:高温度环境下(105ºC)800V以上高耐压新规电解质的开发。用于工业变频器,高压电源转换装置。通过和三重大学合作,利用其有机合成技术和新理念,我们开发出一种新型电解液,可在105ºC的高温下承受800V以上的电压,并正致力于相关大型电容器产品开发。

那么应用了这些新技术的产品究竟有何特性,以下将以“铝电解电容器”、“混合铝电解电容器”、“导电性高分子铝电解电容器”三种类别分别介绍:

▍铝电解电容

尼吉康在铝电解电容方面,开发了一款支持150℃/2000的产品,并在本次展会首次展出。据介绍,此前尼吉康拥有UUB、UBC标准品系列高耐热产品,UUB拥有1000-2000h的寿命但在高温方面最大可承受125℃,UBC虽然可承受150℃高温,但仅拥有1000h的寿命。

根据尼吉康计划,2020年10月这款既能承受150℃,也能运行2000h的产品将会量产,当然在容量和ESR也更加优秀。

 

2020年10月将量产性能极佳的产品

图15:2020年10月将量产性能极佳的产品

那么今年在展位上展出的新品还有哪些?包括UCH和UCM系列。据现场人员介绍,UCH系列产品主要应对的是车载市场的需求,擅长低温ESR,该产品拥有-40℃~125℃/2000h的特性,保证舒适的车内空间的同时使车内搭载部件适应高温环境,另外可确保车载环境下(~-40℃)搭载部件的低ESR持续性能。通过扩充50、63V中压额定,不仅能够满足高温度化要求,。而且还能为整机的省电力化和长寿化做出贡献。

另外便是UCM系列,这款产品在尺寸、容量和低阻抗上具有很强的优势,是在行业内最高容量的产品,并且扩充了63、80V额定电压的小型尺寸产品。

现场人员表示,该款产品使用的高容量电极箔和薄手化电解纸,使得整体实现低阻抗、高纹波对应,并且可削减单机使用个数。不过在高温上该款产品最大可在105℃上使用,使用场景主要是通信、5G方面,属于高频电路、平滑电路、去耦电路等广范围对应的产品。

尼吉康展示其电解电容产品

图16:尼吉康展示其电解电容产品

▍混合铝电解电容器

混合铝电解电容器顾名思义内部电解质构成一部分是拥有高容量、低漏损电流特性的“电解液”,一部分则是具有高纹波电流、低ESR、低温特性的“导电性高分子”。

现场人员对记者介绍表示,导电性高分子混合铝电解电容器和铝非固态电解电容器相比,在高频率领域的ESR性能优异,对于温度变化具有稳定的ESR性能。再者,因内部含有电解液,具有氧化膜修复功能,能维持稳定的电气性能。

对于尼吉康混合铝电解电容产品熟悉的开发人员应该对于GYA、GYB系列产品非常熟悉,今年4月GYC系列也开始量产,在本届CEATEC 2019上展出其最新开发的支持150℃的“GYD系列”混合铝电解电容器。

混合铝电解电容体系图

图17:混合铝电解电容体系图

目前来说,GYD系列是拥有行业最高的耐热温度和最高级别的纹波电流值。据介绍,鉴于与现有的UBC系列和GYD系列铝电解电容器相比,可容许15倍的纹波电流值,因此采用本产品后有望实现机器的小型化。

▍导电性高分子铝电解电容器

在导电性高分子铝电解电容器方面,尼吉康也发布了三个业界最高系列产品,包括PCM系列、PCZ系列、PCH系列。

PCM系列是首个125℃/8000h的产品,超长的寿命可广泛应用在要求高可靠性的车载,信息通讯和工业设备领域。

行业最长寿命产品PCM系列

图18:行业最长寿命产品PCM系列

PCZ系列则是拥有业界最高150℃耐热性的高分子电容器。众所周知,车载领域的自动驾驶、高级驾驶辅助系统(ADAS)的迅猛进化,使得汽车内部高度集成并且多样化,因此市场需要的是耐高温的可靠产品。这款产品采用新技术,实现了15、20、50以及63V,以及低背品和特殊尺寸。

业界最高150℃耐热特性的PCZ系列

图19:业界最高150℃耐热特性的PCZ系列

PCH系列是业界最高水平高温度、长寿命的高分子电容器,这款产品拥有135℃/4000h的特性,本次主要是在额定电压和尺寸上进行扩充。据介绍,额定电压16、20、80V,Φ6.3的产品被扩充。

高耐压、高容量、高耐热的PCH系列

图20:高耐压、高容量、高耐热的PCH系列

 

HV/EV薄膜电容器将在中国建设新的生产基地

 

现如今,在EV(电动汽车)方面,薄膜电容应用非常广泛。这是因为电解电容器一般仅有7-10年的寿命,容易受到恶劣环境影响,薄膜电容器则拥有20年以上的寿命且不受环境影响。

众所周知,目前中国的高铁的“硬实力”非常强,而在高铁中所需的电容也非常多,并且高铁在安全性和寿命方面要求则更加严苛。据现场人员介绍,目前中国高铁中大量的电容器使用的是尼吉康生产的薄膜电容器。尼吉康的薄膜电容器具有双重保护,并且是世界上唯一具有自愈性能的电容器。

具体来讲,尼吉康的薄膜电容器的双重保护体现在:

1、薄膜电容器的自我恢复性:由于SH(自愈)型薄膜电容器的蒸镀电极是薄膜状金属,因此当电解质因某些原因遭到绝缘破坏后,该部分的电极会瞬间蒸发消化后,恢复电容器的功能。

2、薄膜电容器的安全性:若超过SH(自愈)型薄膜电容器的自我恢复极限,生成电解质破坏,绝缘破坏时生成的过电流造成的小分类单位的故障部分的电容器从电路中被隔开。据此不会给电容器本来的电气性能造成影响。

薄膜电容器的双重安全保护

图21:薄膜电容器的双重安全保护

现场人员为记者解释表示,薄膜发生绝缘破坏时,可以通过破坏点周围小面积蒸着金属膜电极的飞散消失,瞬间恢复电容器的原有功能。而在薄膜贯穿孔周围的金属蒸着膜消失时,将无法印加电压至贯穿孔,这样就会自动地将缺陷部从电容器部分中隔离出去。

现场人员为记者讲解其中原理

图22:现场人员为记者讲解其中原理

尼吉康目前在薄膜电容器上主要分为平滑用和缓冲用两种,可以广泛应用在HV/EV/PHV(非插电式混合动力汽车/电动汽车/插电式混合动力汽车)。

尼吉康平滑用/缓冲用薄膜电容器

图23:尼吉康平滑用/缓冲用薄膜电容器

现场,工作人员为记者展示了其在汽车方面的应用,除了应用在HV/EV/PHV上的薄膜电池外,尼吉康还拥有配套汽车的蓄电池。

现场人员为记者介绍相关车载搭载示例

图24:现场人员为记者介绍相关车载搭载示例

现场展示电动汽车整套系统(包含蓄电池)

图25:现场展示电动汽车整套系统(包含蓄电池)

据了解,薄膜电容器作为EV/HV驱动发动机用逆变器的关键部件,随着EV的普及,薄膜电容器在日本及海外的采用实绩正在扩大!

据悉,在日本尼吉康草津工厂的基础上,还将在2020年在中国江苏宿迁建立新的薄膜电容器生产工厂,满足日本、中国、美洲、欧洲的EV/HV需求。此前,尼吉康在宿迁也拥有一家公司,此次在宿迁的薄膜电容器生产工厂为完全新建的,此举也表明了尼吉康对于中国市场的重视。

现场,尼吉康还为记者展示了在蓄电池方面的产品。众所周知,日本因为地势原因所以可能偶尔会出现紧急供电状态。尼吉康推出了一系列家用紧急供电装置,因为日本非常重视新能源的应用,并且政府的固定价格电力收购政策FIT(Feed-in-Tariff)将于2019年11月结束,所以大家都将从“卖电”模式转换为“电力自家消费”模式,因此蓄电装置就非常重要了。

尼吉康的家用蓄电设备

图26:尼吉康的家用蓄电设备

总的来说,尼吉康此次发布会的多款新“铝电解电容”产品延展了整体在规格型号的支持,也拥有了耐热、容量、寿命更长的产品,消费者拥有了更多的选择。而在中国市场方面,尼吉康也正在布局之中。

参加此次采访活动的记者和尼吉康工作人员

图27:参加此次采访活动的记者和尼吉康工作人员

注:尼吉康广报·IR室主任石川宏光(左一)

尼吉康电容技术部/薄膜电容器设备技术部主任博士杨井建波(左五)

尼吉康电容器事业本部技术统括部李思齐(右一)

21ic中国电子网记者付斌(右二)

 

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