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[导读]尼吉康在此需求催生蓄电装置转变的背景之下,开发了一种新型的小型锂离子可充电电池,并在CEATEC 2020上展示了这项技术的进度和成果。

移动、可穿戴、手持是电子行业逐渐步入万物互联、人工智能时代的关键词,支持这种改变便是蓄电技术。

然而,产品功能与日俱增,对蓄电装置的输出能力和蓄电能力要求越来越高。另外,产品寿命要求变高,很多产品甚至要在生命周期内无需更换电池。

因此,新的需求催生了蓄电装置的转变。尼吉康在此背景之下,开发了一种新型的小型锂离子可充电电池,并在CEATEC 2020上展示了这项技术的进度和成果。

兼顾高功率密度和高能量密度

目前来说,主要使用的蓄电装置主要分为EDLC(电器双层电容器)、铅蓄电池、镍氢电池、锂离子可充电电池。其中,大部分与物联网、人工智能相关移动应用多采用EDLC和锂离子电池方案。

尼吉康展示了一张Ragone Plot(功率密度与对应能量密度的对数关系图),对比不同装置蓄电装置的功率密度和能量密度。

功率密度采用循环伏安法(CV进行测量,公式为E=0.5CV²/23.6 Wh/kg

能量密度采用恒流充放电(GCD进行测量,公式为P=3600E/t W/kg

式中CF/g为整个电容的比电容,计算时需计算两个电极的质量,即C=1/2πfZ''VV为窗口电压;t(s)为放电时间。

通过公式可以看出,功率密度主要取决于电极材料自身容量和窗口电压,通过改性或新材料可提高电极材料的电容性能,能量密度则取决于电池的放电时间。

经过计算可以发现,铅蓄电池和镍氢电池明显不满足大功率输出需求。EDLC虽然拥有很好的功率密度,即很好的充放电流,但放电时间很短,最终导致容量不足;锂离子可充电电池拥有很好的能量密度,但反之功率密度较小,不能满足大容量需求。

拥有高功率密度和高能量密度,意味着能在保持续航前提下,拥有瞬时大功率。正是因为基于对市场的洞察,尼吉康才研发了兼顾两个性能的小型锂离子可充电电池SLB系列。

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。


负极材料变为LTO,结构优化为圆筒状

为何尼吉康的小型锂离子可充电电池拥有如此的“魔力”,能够兼顾两种性能?根据尼吉康的介绍,这主要归功于基本技术采用了东芝TOSHIBA可充电电池 SCiB 技术,开发产品的负极采用了钛酸锂Li4Ti5O12Lithium titanate oxideLTO

除此之外,尼吉康还在结构上进行了优化。普通的锂离子可充电电池的结构一般采用圆筒形、方形和钮扣形。尼吉康开发的小型锂离子可充电电池采用了圆筒形状,几乎与尼吉康电气双层电容器的基本结构一致,由正极、负极、隔膜、电解液以及外壳材料构成。

传统的锂离子电池无论正极采用的是磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍酸还是镍钴锰三元材料,其负极都是采用的石墨。碳材料作为锂离子电池的负极,不仅容量较低,还有可能在碳电极表面析出金属锂,与电解液反应产生可燃气体混合物,存在安全隐患。

LTO则反之,这种材料的重要特点就是结构稳定性很好,可以适用于长寿命、快充等领域。这是因为LTO从材料结构上来讲,属于面心立方尖晶石结构,尖晶石结构对锂离子有一定的容纳空间,一般1个钛酸锂能容纳3个锂离子。

因此,在充放电之时,锂离子嵌入和脱嵌对LTO材料结构几乎没有影响,LTO的晶型结构几乎无变化,也就是所谓的零应变材料

这种“零应变”特性能够防止充放电过程中,由于材料伸缩变化而导致结构发生变化,从而提高电极的性能和减少比容量的大幅度衰减,延长了锂离子电池的使用寿命。通过对比石墨负极材料,LTO的嵌锂电位更高,能够有效防止金属锂析出和锂枝晶的形成。


除此之外,LTO还拥有很强的温度很高的热稳定性,不自燃且与电解液的反应性低的材料,所以LTO在热稳定表现上优于以往锂离子电池采用的碳素材料。

而在内部短路电流方面,LTO表面由于相变化阻抗变高,只有微量电流通过,因此不会在短路时高温发烫;另外,使用LTO的产品在高速充电、低温、长期循环时也不会达到Li析出电压。


通过对比以往采用碳素材料(石墨)的产品,在进行高速充电时,普通锂离子电池放电电压基本上会达到0V以下,这种情况下便达到了Li金属析出电压。


LTO与锂离子电池负极中常用的石墨材料相比,电位比较高,达到1.5V (vs. Li/Li+),安全性相对较好,但是,这也会导致LTO在全电池的额定相对偏低,只有2.3-2.5V左右。额定电压由正极的电压与负极的电压之差决定,锂离子可充电电池约为3.8伏,而SLB系列则为2.4伏。

不断扩充的SLB系列

那么,LTO材料最终显现在尼吉康的小型锂离子可充电电池的具体效果是怎么样的?根据尼吉康介绍,小型锂离子可充电电池拥有4个特性:

1、长寿命:一般来说普通产品只能充放电2,000 Cycle(回/循环寿命)。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。

2、急速充放电: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。

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-30℃的寒冷地区虽然性能会稍稍下降,但仍然可以使用。

4、安全性:上文也介绍了LTO这种材料的安全性,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,几乎不会发生破裂或着火的可能,十分安全。

从产品上来讲,目前SLB系列最小尺寸为φ3×7L已经量产,Φ8×11.5Lφ12.5×40L的量产在202012月以后。

SLB系列的额定电压为2.4伏(该额定电压是标称电压,即可用电压范围的平均值),可在-30°C60°C的温度范围使用。最大充电电压为2.8伏,放电终止电压为1.8伏。由此可以看出它与EDLC2.7伏电压为同等级,所以可以与EDLC进行替换使用。但是,由于SLB系列不能像EDLC那样放电至0伏,所以必须保证产品电压高于1.8伏。

在认证方面,SLB系列目前取得了CBULBSMIVNTA等国际安全认证。目前产品生产在尼吉康大野株式会社第二工厂(已经取得 ISO9001IATF16949ISO14001 认证)。


拥有广泛的使用场景

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。

近年来随着物联网的发展,人们的生活有了很大的改变。利用AI 分析从各种各样的物品上搭载的各类传感器收集来的大数据,然后高效地推动事物,出现异常时发出通知等,逐渐成为生活中不可或缺的存在。利用传感器的感测需要电源,市场要求全新的蓄电装置。


其中较为典型的用例便是尼吉康与理光微电子(RICOH)合作的环境传感器。这一机制是利用理光微电子的能量收集用低电流降压 DC-DC 转换器,对光伏板发电的电气进行降压后,在小型锂离子可充电电池中蓄电。

利用低电流升降压 DC-DC转换器对蓄电电能进行降压后,向可以检测温度、湿度、气压、照度的传感器供电和驱动无线模块,然后通过蓝牙功能将感测到的信息发送出去并且收集数据。此外,还将搭载可以监控电池电压的 IC,就能很容易获知剩余的电池电量。

该环境传感器中搭载了尼吉康的“SLB 系列” 小型锂离子可充电电池 0.35mAhφ3×7Lmm),与光伏发电搭配后,实现了免维护。“SLB系列”最适合的理由是,可以实现低电流充电和大电流放电,循环特性卓越,并且是长寿命。

关于低电流充电,相比普通的锂离子可充电电池,由于其内部电阻小,因此低电流也能进行充电。由于多数情况下能量收集器的发电电流小,因此能够用低电流进行充电,这一点相比其他电池有优势。

关于大电流放电,由于其内部电阻小,因此可以瞬间进行放电。在物联网的世界里,可以通过各种通信方式收集数据,但所需电力取决于信息量和距离,耗电量越大,越需要大电流。

普通的锂离子可充电电池想要用大电流进行放电,只能增加产品容量,产品尺寸也会变大。“SLB 系列可以实现小型而大电流,尺寸也无需变大。关于循环特性,相比普通的锂离子可充电电池,可以实现 10 倍以上的充放电,而且可以做到免维护。


还有一个典型的用例就是三星Note 10SPen。此前,三星在电容方面采用的是其他公司生产的EDLC,而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。

利用SLB φ3×7L新型智能手机“Galaxy Note10Note10+”的S笔特有的远程操作功能进一步得到升级,可用低功耗Bluetooth(BLE)识别S笔的动作,并且远程控制智能手机。为实现升级版的S笔功能,三星电子公司采用了尼吉康的小型锂离子可充电电池,可使用时间也增加到了约10小时。此外,相比普通的锂离子可充电电池,尼吉康的锂离子可充电电池在高输出入的情况下可实现约10倍电流的充放电,而且冒火冒烟的危险性极低,具有卓越的安全性。


除此之外,这款产品还与ROHM株式会社提供的充电控制IC搭配可以实现超快速充电;与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搭配,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);与ADI公司的线性充电器和降压/升压调节器搭配,驱动各种设备。

用例非常多,可以说只要使用的到急速充放电和大容量电池的场景下,这款产品都能发挥出功效。

通过尼吉康的布局来看,目前小型锂离子可充电电池SLB系列已逐渐从Φ3x7L的超小型,逐渐扩展到Φ8×11.5Lφ12.5×40L的尺寸,新产品充放电电流更大,容量更大,更多应用可能性被提出。

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