固态锂微电池的工作原理介绍

固态锂微电池将改变小型连接设备的设计和供电方式，但需要了解它们的工作原理。

虽然电动汽车 (EV) 行业正在积极探索固态锂电池的使用，但该技术尚未开始向估计每年出货的 10 亿多个可穿戴设备、可听设备和物联网传感器迁移。随着专为小型连接设备设计的可充电 1 毫安时 (mAh) 至 100 mAh 固态锂微电池的出现，这种情况即将改变。

固态锂技术将消除锂离子 (Li-ion) 纽扣电池强加给产品开发人员的设计限制和系统复杂性。它将更高的能量密度与更小的长方体(而不是圆柱形)外形相结合，其长度、宽度和高度可以定制以适应最终产品。该技术还将使微型电池能够使用与连接设备中的其他组件相同的标准回流组装工艺放置在印刷电路板 (PCB) 上。

利用这些能力需要了解固态锂微电池是如何设计和制造的，以及如何将它们集成到最终产品组装过程中。

为物联网产品适配固态锂电池

小型连接设备具有独特的要求，锂离子纽扣电池越来越难以满足这些要求。这主要是因为它们的能量密度、充电和外形尺寸限制。

需要传统圆形纽扣电池外形尺寸以外的其他东西的制造商通常采用锂聚合物 (Li-po) 替代品。例如，这些电池可以安装到智能环的弯曲形状中。它们还仅提供锂离子体积的一半或更少的能量密度，并且需要明显更厚的部分来适应它们的高度。

虽然这些问题可以通过固态锂技术解决，但只有在电池不使用锂金属阳极的情况下才可行。在制造过程中，这种类型的阳极必须沉积在电池电解质的顶部。由于锂对水分和空气的敏感性，它需要零湿度插件和基于氩 (AR) 的环境，这增加了工艺的成本和复杂性，同时限制了可扩展性。

固态锂电池的早期研发工作将锂磷氧氮化物(LiPON)确定为一种有效的固体电解质。LiPON 是抗枝晶的，并且对锂阳极层非常稳定。虽然最初的工作使用沉积的锂金属阳极，但研究人员很快意识到了它的局限性并转向了无阳极设计。

无阳极固态电池是在没有任何阳极沉积在电解质上的情况下制造的。当电池首次由来自阴极的锂通过电解质充电时，形成锂金属阳极。无阳极电池的制造无需控制环境或使用特殊工艺，因为不涉及锂金属。

在取得这些基础性成就之后的几年里，需要额外的工作来解决将无阳极化学材料集成到满足连接设备性能要求的商用微型电池中的许多界面挑战。尤其具有挑战性的是实现足够低的阻抗以满足更高的体积能量密度和更快的充电需求，以及具有增长空间的更高循环。

显示了无阳极电池化学及其各种元素的示例。在其初始预充电/制造状态下，固态锂微电池是无阳极的。

一旦固态锂微电池充电，就会在阳极集电器和固态电解质之间形成一层锂，固态电解质现在成为阳极。界面挑战存在于几个关键点，包括基板和阴极之间、阴极和固体电解质之间以及固体电解质和封装本身之间。

规划技术采用

小型连接设备的开发人员现在正在为满足其需求的可充电固态锂微电池的到来做准备。他们对这项技术的好处了解得越多，他们就能更好地利用它们。从设计构思阶段开始，一直到最终产品的组装，这些优势包括：

更高的能量密度和更快的充电速度

下一代联网设备将需要显着更高的单位体积能量存储或体积能量密度 (VED)，其计算方法是将电池容量除以体积，以每升瓦时 (Wh/l) 衡量。如果两节电池的容量相同，其中一节的容量是两倍，那么较小的一节的 VED 是两倍。

VED 在固态锂微电池中进行了优化，使用超薄(10 微米)钢基板，在微电池架构中占用尽可能少的空间。VED 的进一步改进来自于电池内产生能量的电池的超紧凑堆叠和包装。总之，这些功能使锂离子微电池的 VED 提高了两到三倍，需要占用空间的安全机制和内部包装来保护其脆弱的电解质免受环境大气的破坏性影响。

借助高 VED，设计人员可以创建更小的助听器，集成更多功能以提高声音放大和保真度，以及其他助听功能。他们可以开发健康跟踪环，在充电前更长时间监测睡眠、心率和心率变异性、呼吸、温度、血氧、步数、卡路里、葡萄糖和血压。与传统纽扣电池相比，无阳极固态锂微电池的早期测试表明，VED 提高了两倍，充电速度提高了两倍以上。