三星Galaxy Note10引以為豪的SPen為何能夠秒充電？

近兩年提及最多的一個詞便是5G，數(shù)據(jù)顯示三星在中國5G市場份額超過30%，其中尤其是Galaxy Note10系列最為亮眼。Note系列一直以其高雅而又智慧的觸控筆作為手機的點睛之筆，Note10系列更是搭載了智慧型SPen極大豐富了用戶與手機功能的交互。這款SPen最大可待機10小時，并且10分鐘以內(nèi)便可充滿電，這其中的秘密究竟為何？

CEATEC 2019期間，記者受邀參加尼吉康（nichicon）展位的參觀，現(xiàn)場工作人員為記者解答了其中的秘密。據(jù)介紹，去年三星在電容方面采用的是其他公司生產(chǎn)的“EDLC（電氣雙層電容器）”，而在今年的Note10系列大放光彩的SPen，搭載的則是由尼吉康生產(chǎn)的“小型鋰離子可充電電池SLB”，這款鋰離子電池不僅電量耐用，充電急速，在壽命、低溫性、安全性方面也擁有極佳性能。

圖1：搭載尼吉康SLB系列產(chǎn)品的SPen

值得一提的是，尼吉康在本次CEATEC 2019上不僅展示了這款非常適用于IoT領域的小型鋰離子可充電電池，還帶來了許多讓人眼前一亮的新產(chǎn)品。

應用廣泛的小型鋰電子可充電電池“SLB”系列

 

現(xiàn)在所有企業(yè)都在談IoT的時代背景下，移動設備越來越百花齊放，而在此情況下對于電池的充放電、壽命和安全性便達到了更高的層次。

尼吉康現(xiàn)場工作人員告訴記者，EDLC（電氣雙層電容器）雖然具有良好的功率密度，但能量密度較低，容量很小；而普通鋰離子可充電電池雖然相對于鉛蓄電池、鎳氫電池擁有更誘人的能量密度，但功率密度卻很小。所以市場市場需要的是比EDLC更長放電時間，比普通可充電電池更大的充放電電流的產(chǎn)品，因而尼吉康研究生產(chǎn)了這款兼顧大輸出功率和大容量的產(chǎn)品。

圖2：小型鋰離子可充電電池開發(fā)背景

通過對比EDLC與鋰電子電池數(shù)據(jù)參數(shù)，尼吉康所研發(fā)的“小型鋰電子可充電電池SLB”在能量密度上可達40Wh/kg，優(yōu)于EDLC；在功率密度上達到3kW/kg，可在-30~60℃下使用，周期壽命超過25,000回，并且不會因熱失控著火，全面優(yōu)于鋰離子電池。

圖3：新蓄電裝置在高rate充放電的情況下依然在長壽命和安全性方面具有優(yōu)勢

據(jù)現(xiàn)場人員介紹，目前這款產(chǎn)品擁有Φ3x7L、Φ8x11.5L與Φ12.5x40L三款，Φ3x7L已經(jīng)量產(chǎn)，Φ8x11.5L與Φ12.5x40L提供樣品，預計2020年4月開始量產(chǎn)。Φ4x25.5L（5mAh）、Φ8x20L(25mAh)、Φ10x31.5L（60mAh）尺寸目前正在商討中。

圖4：小型鋰離子可充電電池SLB型號

▍SLB的四個產(chǎn)品特性

據(jù)尼吉康介紹，這款產(chǎn)品具有長壽命、急速充放電、低溫特性、安全性四個特點。

圖5：適用于IoT的SLB系列產(chǎn)品

1、長壽命：上文也對比了EDLC與鋰離子電池特性，一般來說普通產(chǎn)品只能充放電2,000 Cycle。在此方面，通過對Φ12.5x40L_150mAh產(chǎn)品試驗結(jié)果顯示，在充放電25,000 Cycle后依然能維持80%以上的容量。

圖6：SLB擁有長壽命的的特性

2、急速充電·放電可能：上文中也提及該產(chǎn)品可在10分鐘內(nèi)完成充電。Φ12.5x40L_150mAh產(chǎn)品的急速充放電試驗結(jié)果顯示，在20C大電流充放電的情況下，SLB可實現(xiàn)3分鐘內(nèi)全容量80%的超急速充電，和3分鐘內(nèi)實現(xiàn)超過全容量90%的超急速放電。

圖7：SLB系列20C大電流充放電試驗結(jié)果

3、低溫特性：一般來說，普通的鋰電子可充電電池在0℃環(huán)境下就很難充電了。通過測試顯示，SLB在-30℃的寒冷地區(qū)雖然性能會稍稍下降，但仍然可以使用。

圖8：在低溫情況下仍然可以使用

4、安全性：值得一提的是，該款產(chǎn)品采用的是LTO材料，所以在壓壞、釘扎、Blut Nail試驗、外短、過充電、強制放電等強制使內(nèi)部短路時，發(fā)生破裂或著火的可能性非常低，十分安全。

圖9：經(jīng)過嚴苛測試破裂著火可能性很低

▍SLB具有廣泛的應用空間

這款小型鋰離子可充電電池目標市場非常廣泛，具體包括電子筆、無線耳機、行車記錄儀、車載用輔助電源（動力轉(zhuǎn)向、門鎖解除、緊急呼叫、ADAS等）、充電式玩具、電動工具、電子香煙、IoT設備（定點觀測、狀態(tài)監(jiān)視）、穿戴式終端、智能電表、內(nèi)存?zhèn)浞荩译姟⒐I(yè)機器等）、筆記本電腦（CMOS備份）、遙控器等。

除了三星的SPen，現(xiàn)場工作人員也為記者展示了多款實際搭載的示例。通過使用京都大學的薄膜型鈣鈦礦太陽能電池，Ricoh Electronic Devices Co.,Ltd的電源IC和尼吉康的小型鋰離子可充電電池，實現(xiàn)了自立電源型IoT環(huán)境傳感器系統(tǒng)的構(gòu)筑。

圖10：環(huán)境傳感器演示（尼吉康+RICOH+京都大學）

現(xiàn)場還展示了通過使用瑞薩電子株式會社提供的采用SOTB技術的嵌入式控制器和鋰離子可充電電池，可以實現(xiàn)利用微量（例如光、震動和流量）環(huán)境發(fā)電的能量收集物聯(lián)網(wǎng)設備。

圖11：能量收集設備（尼吉康+RENESAS）

值得一提的是，因為具有快速充放電能力，根據(jù)現(xiàn)場演示，與ROHM株式會社提供的充電控制IC搭配可以實現(xiàn)超快速充電。無獨有偶，通過使用特瑞仕半導體株式會社（TOREX）的超小型外殼中封裝的LDO低壓差線性穩(wěn)壓器和線路開關，可以向Φ3x7L的超小型鋰離子可充電電池做節(jié)省空間的CCCV充電（穩(wěn)流穩(wěn)壓充電）?，F(xiàn)場，尼吉康還向記者展示了使用ADI公司的線性充電器和降壓/升壓調(diào)節(jié)器來驅(qū)動各種設備的方案。

圖12：與ROHM、TOREX、ADI搭配的充放電解決方案

 

業(yè)界最高耐溫和壽命的電容器新產(chǎn)品

 

除了鋰離子可充電電池SLB系列以外，本次CEATEC 2019尼吉康也放出其具有高耐溫及長壽命的“鋁電解電容器”新產(chǎn)品。

在鋁電解電容器方面，尼吉康擁有三種產(chǎn)品，包括“鋁電解電容器”、“混合鋁電解電容器”、“導電性高分子鋁電解電容器”。具體分為芯片型、引線型、基板自立型、螺紋端子型，這三類產(chǎn)品的新產(chǎn)品則均為芯片型。

現(xiàn)場人員介紹表示，”鋁電解電容器“擁有較高的電解質(zhì)的含浸性和誘電體的修復性能，但電介質(zhì)的比抵抗較高且電解質(zhì)耐熱性相對較差；“導電性高分子鋁電解電容器”則與之相反；“混合鋁電解電容器”顧名思義是兩者的結(jié)合，在各方面能力處于兩種電容器中間。成本方面，“鋁電解電容器”低于“導電性高分子鋁電解電容器”，“混合鋁電解電容器”處于兩者中間。

圖13：尼吉康在CEATEC 2019推出的新產(chǎn)品

本次新產(chǎn)品主要集中在于車載、ADAS、發(fā)動機ECU和數(shù)碼家電方面。

圖14：CEATEC 2019新技術開發(fā)

值得一提的是，這幾款新產(chǎn)品搭載的是尼吉康在2019年推出的新技術。具體包括“鋁電解電容器異常電壓對應技術”、“高壓用鋁電解電容器低溫特性改善品”、“105℃ 800V對應電解液開發(fā)”。

1、鋁電解電容器異常電壓對應技術：此次的技術開發(fā)將異常電壓對應保證溫度從以往的常溫（15～35ºC）提升至最高使用保證溫度（105ºC）。在常溫溫度范圍（15～35ºC）中使用的話，最高對應異常電壓從以往的450V提升到500V。

2、高壓用鋁電解電容器低溫特性改善品：通過改善低溫特性，抑制電容器在低溫中的性能低下。大大改善了-55ºC 120Hz下的容量變化率、阻抗比、以及ESR等性能。

3、105℃ 800V對應電解液開發(fā)：高溫度環(huán)境下（105ºC）800V以上高耐壓新規(guī)電解質(zhì)的開發(fā)。用于工業(yè)變頻器，高壓電源轉(zhuǎn)換裝置。通過和三重大學合作，利用其有機合成技術和新理念，我們開發(fā)出一種新型電解液，可在105ºC的高溫下承受800V以上的電壓，并正致力于相關大型電容器產(chǎn)品開發(fā)。

那么應用了這些新技術的產(chǎn)品究竟有何特性，以下將以“鋁電解電容器”、“混合鋁電解電容器”、“導電性高分子鋁電解電容器”三種類別分別介紹：

▍鋁電解電容

尼吉康在鋁電解電容方面，開發(fā)了一款支持150℃/2000的產(chǎn)品，并在本次展會首次展出。據(jù)介紹，此前尼吉康擁有UUB、UBC標準品系列高耐熱產(chǎn)品，UUB擁有1000-2000h的壽命但在高溫方面最大可承受125℃，UBC雖然可承受150℃高溫，但僅擁有1000h的壽命。

根據(jù)尼吉康計劃，2020年10月這款既能承受150℃，也能運行2000h的產(chǎn)品將會量產(chǎn)，當然在容量和ESR也更加優(yōu)秀。

 

圖15：2020年10月將量產(chǎn)性能極佳的產(chǎn)品

那么今年在展位上展出的新品還有哪些？包括UCH和UCM系列。據(jù)現(xiàn)場人員介紹，UCH系列產(chǎn)品主要應對的是車載市場的需求，擅長低溫ESR，該產(chǎn)品擁有-40℃~125℃/2000h的特性，保證舒適的車內(nèi)空間的同時使車內(nèi)搭載部件適應高溫環(huán)境，另外可確保車載環(huán)境下（~-40℃）搭載部件的低ESR持續(xù)性能。通過擴充50、63V中壓額定，不僅能夠滿足高溫度化要求，。而且還能為整機的省電力化和長壽化做出貢獻。

另外便是UCM系列，這款產(chǎn)品在尺寸、容量和低阻抗上具有很強的優(yōu)勢，是在行業(yè)內(nèi)最高容量的產(chǎn)品，并且擴充了63、80V額定電壓的小型尺寸產(chǎn)品。

現(xiàn)場人員表示，該款產(chǎn)品使用的高容量電極箔和薄手化電解紙，使得整體實現(xiàn)低阻抗、高紋波對應，并且可削減單機使用個數(shù)。不過在高溫上該款產(chǎn)品最大可在105℃上使用，使用場景主要是通信、5G方面，屬于高頻電路、平滑電路、去耦電路等廣范圍對應的產(chǎn)品。

圖16：尼吉康展示其電解電容產(chǎn)品

▍混合鋁電解電容器

混合鋁電解電容器顧名思義內(nèi)部電解質(zhì)構(gòu)成一部分是擁有高容量、低漏損電流特性的“電解液”，一部分則是具有高紋波電流、低ESR、低溫特性的“導電性高分子”。

現(xiàn)場人員對記者介紹表示，導電性高分子混合鋁電解電容器和鋁非固態(tài)電解電容器相比，在高頻率領域的ESR性能優(yōu)異，對于溫度變化具有穩(wěn)定的ESR性能。再者，因內(nèi)部含有電解液，具有氧化膜修復功能，能維持穩(wěn)定的電氣性能。

對于尼吉康混合鋁電解電容產(chǎn)品熟悉的開發(fā)人員應該對于GYA、GYB系列產(chǎn)品非常熟悉，今年4月GYC系列也開始量產(chǎn)，在本屆CEATEC 2019上展出其最新開發(fā)的支持150℃的“GYD系列”混合鋁電解電容器。

圖17：混合鋁電解電容體系圖

目前來說，GYD系列是擁有行業(yè)最高的耐熱溫度和最高級別的紋波電流值。據(jù)介紹，鑒于與現(xiàn)有的UBC系列和GYD系列鋁電解電容器相比，可容許15倍的紋波電流值，因此采用本產(chǎn)品后有望實現(xiàn)機器的小型化。

▍導電性高分子鋁電解電容器

在導電性高分子鋁電解電容器方面，尼吉康也發(fā)布了三個業(yè)界最高系列產(chǎn)品，包括PCM系列、PCZ系列、PCH系列。

PCM系列是首個125℃/8000h的產(chǎn)品，超長的壽命可廣泛應用在要求高可靠性的車載，信息通訊和工業(yè)設備領域。

圖18：行業(yè)最長壽命產(chǎn)品PCM系列

PCZ系列則是擁有業(yè)界最高150℃耐熱性的高分子電容器。眾所周知，車載領域的自動駕駛、高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的迅猛進化，使得汽車內(nèi)部高度集成并且多樣化，因此市場需要的是耐高溫的可靠產(chǎn)品。這款產(chǎn)品采用新技術，實現(xiàn)了15、20、50以及63V，以及低背品和特殊尺寸。

圖19：業(yè)界最高150℃耐熱特性的PCZ系列

PCH系列是業(yè)界最高水平高溫度、長壽命的高分子電容器，這款產(chǎn)品擁有135℃/4000h的特性，本次主要是在額定電壓和尺寸上進行擴充。據(jù)介紹，額定電壓16、20、80V，Φ6.3的產(chǎn)品被擴充。

圖20：高耐壓、高容量、高耐熱的PCH系列

 

HV/EV薄膜電容器將在中國建設新的生產(chǎn)基地

 

現(xiàn)如今，在EV（電動汽車）方面，薄膜電容應用非常廣泛。這是因為電解電容器一般僅有7-10年的壽命，容易受到惡劣環(huán)境影響，薄膜電容器則擁有20年以上的壽命且不受環(huán)境影響。

眾所周知，目前中國的高鐵的“硬實力”非常強，而在高鐵中所需的電容也非常多，并且高鐵在安全性和壽命方面要求則更加嚴苛。據(jù)現(xiàn)場人員介紹，目前中國高鐵中大量的電容器使用的是尼吉康生產(chǎn)的薄膜電容器。尼吉康的薄膜電容器具有雙重保護，并且是世界上唯一具有自愈性能的電容器。

具體來講，尼吉康的薄膜電容器的雙重保護體現(xiàn)在：

1、薄膜電容器的自我恢復性：由于SH(自愈)型薄膜電容器的蒸鍍電極是薄膜狀金屬，因此當電解質(zhì)因某些原因遭到絕緣破壞后，該部分的電極會瞬間蒸發(fā)消化后，恢復電容器的功能。

2、薄膜電容器的安全性：若超過SH(自愈)型薄膜電容器的自我恢復極限，生成電解質(zhì)破壞，絕緣破壞時生成的過電流造成的小分類單位的故障部分的電容器從電路中被隔開。據(jù)此不會給電容器本來的電氣性能造成影響。

圖21：薄膜電容器的雙重安全保護

現(xiàn)場人員為記者解釋表示，薄膜發(fā)生絕緣破壞時，可以通過破壞點周圍小面積蒸著金屬膜電極的飛散消失，瞬間恢復電容器的原有功能。而在薄膜貫穿孔周圍的金屬蒸著膜消失時，將無法印加電壓至貫穿孔，這樣就會自動地將缺陷部從電容器部分中隔離出去。

圖22：現(xiàn)場人員為記者講解其中原理

尼吉康目前在薄膜電容器上主要分為平滑用和緩沖用兩種，可以廣泛應用在HV/EV/PHV（非插電式混合動力汽車/電動汽車/插電式混合動力汽車）。

圖23：尼吉康平滑用/緩沖用薄膜電容器

現(xiàn)場，工作人員為記者展示了其在汽車方面的應用，除了應用在HV/EV/PHV上的薄膜電池外，尼吉康還擁有配套汽車的蓄電池。

圖24：現(xiàn)場人員為記者介紹相關車載搭載示例

圖25：現(xiàn)場展示電動汽車整套系統(tǒng)（包含蓄電池）

據(jù)了解，薄膜電容器作為EV/HV驅(qū)動發(fā)動機用逆變器的關鍵部件，隨著EV的普及，薄膜電容器在日本及海外的采用實績正在擴大！

據(jù)悉，在日本尼吉康草津工廠的基礎上，還將在2020年在中國江蘇宿遷建立新的薄膜電容器生產(chǎn)工廠，滿足日本、中國、美洲、歐洲的EV/HV需求。此前，尼吉康在宿遷也擁有一家公司，此次在宿遷的薄膜電容器生產(chǎn)工廠為完全新建的，此舉也表明了尼吉康對于中國市場的重視。

現(xiàn)場，尼吉康還為記者展示了在蓄電池方面的產(chǎn)品。眾所周知，日本因為地勢原因所以可能偶爾會出現(xiàn)緊急供電狀態(tài)。尼吉康推出了一系列家用緊急供電裝置，因為日本非常重視新能源的應用，并且政府的固定價格電力收購政策FIT（Feed-in-Tariff）將于2019年11月結(jié)束，所以大家都將從“賣電”模式轉(zhuǎn)換為“電力自家消費”模式，因此蓄電裝置就非常重要了。

圖26：尼吉康的家用蓄電設備

總的來說，尼吉康此次發(fā)布會的多款新“鋁電解電容”產(chǎn)品延展了整體在規(guī)格型號的支持，也擁有了耐熱、容量、壽命更長的產(chǎn)品，消費者擁有了更多的選擇。而在中國市場方面，尼吉康也正在布局之中。

圖27：參加此次采訪活動的記者和尼吉康工作人員

注：尼吉康廣報·IR室主任石川宏光（左一）

尼吉康電容技術部/薄膜電容器設備技術部主任博士楊井建波（左五）

尼吉康電容器事業(yè)本部技術統(tǒng)括部李思齊（右一）

21ic中國電子網(wǎng)記者付斌（右二）