固態(tài)鋰微電池的工作原理介紹

固態(tài)鋰微電池將改變小型連接設(shè)備的設(shè)計和供電方式，但需要了解它們的工作原理。

雖然電動汽車 (EV) 行業(yè)正在積極探索固態(tài)鋰電池的使用，但該技術(shù)尚未開始向估計每年出貨的 10 億多個可穿戴設(shè)備、可聽設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)傳感器遷移。隨著專為小型連接設(shè)備設(shè)計的可充電 1 毫安時 (mAh) 至 100 mAh 固態(tài)鋰微電池的出現(xiàn)，這種情況即將改變。

固態(tài)鋰技術(shù)將消除鋰離子 (Li-ion) 紐扣電池強(qiáng)加給產(chǎn)品開發(fā)人員的設(shè)計限制和系統(tǒng)復(fù)雜性。它將更高的能量密度與更小的長方體(而不是圓柱形)外形相結(jié)合，其長度、寬度和高度可以定制以適應(yīng)最終產(chǎn)品。該技術(shù)還將使微型電池能夠使用與連接設(shè)備中的其他組件相同的標(biāo)準(zhǔn)回流組裝工藝放置在印刷電路板 (PCB) 上。

利用這些能力需要了解固態(tài)鋰微電池是如何設(shè)計和制造的，以及如何將它們集成到最終產(chǎn)品組裝過程中。

為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品適配固態(tài)鋰電池

小型連接設(shè)備具有獨特的要求，鋰離子紐扣電池越來越難以滿足這些要求。這主要是因為它們的能量密度、充電和外形尺寸限制。

需要傳統(tǒng)圓形紐扣電池外形尺寸以外的其他東西的制造商通常采用鋰聚合物 (Li-po) 替代品。例如，這些電池可以安裝到智能環(huán)的彎曲形狀中。它們還僅提供鋰離子體積的一半或更少的能量密度，并且需要明顯更厚的部分來適應(yīng)它們的高度。

雖然這些問題可以通過固態(tài)鋰技術(shù)解決，但只有在電池不使用鋰金屬陽極的情況下才可行。在制造過程中，這種類型的陽極必須沉積在電池電解質(zhì)的頂部。由于鋰對水分和空氣的敏感性，它需要零濕度插件和基于氬 (AR) 的環(huán)境，這增加了工藝的成本和復(fù)雜性，同時限制了可擴(kuò)展性。

固態(tài)鋰電池的早期研發(fā)工作將鋰磷氧氮化物(LiPON)確定為一種有效的固體電解質(zhì)。LiPON 是抗枝晶的，并且對鋰陽極層非常穩(wěn)定。雖然最初的工作使用沉積的鋰金屬陽極，但研究人員很快意識到了它的局限性并轉(zhuǎn)向了無陽極設(shè)計。

無陽極固態(tài)電池是在沒有任何陽極沉積在電解質(zhì)上的情況下制造的。當(dāng)電池首次由來自陰極的鋰通過電解質(zhì)充電時，形成鋰金屬陽極。無陽極電池的制造無需控制環(huán)境或使用特殊工藝，因為不涉及鋰金屬。

在取得這些基礎(chǔ)性成就之后的幾年里，需要額外的工作來解決將無陽極化學(xué)材料集成到滿足連接設(shè)備性能要求的商用微型電池中的許多界面挑戰(zhàn)。尤其具有挑戰(zhàn)性的是實現(xiàn)足夠低的阻抗以滿足更高的體積能量密度和更快的充電需求，以及具有增長空間的更高循環(huán)。

顯示了無陽極電池化學(xué)及其各種元素的示例。在其初始預(yù)充電/制造狀態(tài)下，固態(tài)鋰微電池是無陽極的。

一旦固態(tài)鋰微電池充電，就會在陽極集電器和固態(tài)電解質(zhì)之間形成一層鋰，固態(tài)電解質(zhì)現(xiàn)在成為陽極。界面挑戰(zhàn)存在于幾個關(guān)鍵點，包括基板和陰極之間、陰極和固體電解質(zhì)之間以及固體電解質(zhì)和封裝本身之間。

規(guī)劃技術(shù)采用

小型連接設(shè)備的開發(fā)人員現(xiàn)在正在為滿足其需求的可充電固態(tài)鋰微電池的到來做準(zhǔn)備。他們對這項技術(shù)的好處了解得越多，他們就能更好地利用它們。從設(shè)計構(gòu)思階段開始，一直到最終產(chǎn)品的組裝，這些優(yōu)勢包括：

更高的能量密度和更快的充電速度

下一代聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將需要顯著更高的單位體積能量存儲或體積能量密度 (VED)，其計算方法是將電池容量除以體積，以每升瓦時 (Wh/l) 衡量。如果兩節(jié)電池的容量相同，其中一節(jié)的容量是兩倍，那么較小的一節(jié)的 VED 是兩倍。

VED 在固態(tài)鋰微電池中進(jìn)行了優(yōu)化，使用超薄(10 微米)鋼基板，在微電池架構(gòu)中占用盡可能少的空間。VED 的進(jìn)一步改進(jìn)來自于電池內(nèi)產(chǎn)生能量的電池的超緊湊堆疊和包裝?？傊@些功能使鋰離子微電池的 VED 提高了兩到三倍，需要占用空間的安全機(jī)制和內(nèi)部包裝來保護(hù)其脆弱的電解質(zhì)免受環(huán)境大氣的破壞性影響。

借助高 VED，設(shè)計人員可以創(chuàng)建更小的助聽器，集成更多功能以提高聲音放大和保真度，以及其他助聽功能。他們可以開發(fā)健康跟蹤環(huán)，在充電前更長時間監(jiān)測睡眠、心率和心率變異性、呼吸、溫度、血氧、步數(shù)、卡路里、葡萄糖和血壓。與傳統(tǒng)紐扣電池相比，無陽極固態(tài)鋰微電池的早期測試表明，VED 提高了兩倍，充電速度提高了兩倍以上。