用于可穿戴設(shè)備的固態(tài)電池技術(shù)介紹

預(yù)計(jì)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）運(yùn)動(dòng)在未來(lái)十年內(nèi)將迅速擴(kuò)大。這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?a target="_blank">電子元件的主要技術(shù)要求是超低功耗，低成本，無(wú)線連接，在大多數(shù)情況下，超小尺寸。

能量收集已被確定為一種重要的供電技術(shù)可穿戴設(shè)備和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，用于儲(chǔ)能的電池被認(rèn)為是大多數(shù)應(yīng)用的必要條件。然而，今天的傳統(tǒng)形狀因素，包括紐扣電池，被視為嚴(yán)重的限制。薄度，靈活性和容量是關(guān)鍵因素。因此，薄膜/固態(tài)和印刷電池具有最大的潛力。本文將概述為可穿戴設(shè)備提供電池技術(shù)，電池壽命和可充電性的持續(xù)電源的挑戰(zhàn)。然后，它將突出顯示最新一代固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)，特別是它們的小尺寸，設(shè)計(jì)靈活性，以及通過(guò)收集的環(huán)境能量進(jìn)行無(wú)線充電的能力。

將參考Cymbet公司的EnerChip系列產(chǎn)品具有集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘和電源管理功能的固態(tài)電池及其各自的評(píng)估套件。

圖1：Cymbet的Enerchip CBC34813-M5C結(jié)合了固態(tài)可充電電池具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘和集成電源管理功能。容量為5μAh，輸出電壓為2.5 V.器件尺寸為5 x 5 mm。市場(chǎng)增長(zhǎng)

雖然薄膜和固態(tài)電池已經(jīng)存在了十年或更長(zhǎng)時(shí)間，但新興市場(chǎng)的增長(zhǎng)包括可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)。產(chǎn)生重大的新興趣。根據(jù)市場(chǎng)研究公司IDTechEx在其最近的報(bào)告“柔性，印刷和薄膜電池，2015年至2025年”，1到2024年，該設(shè)備級(jí)市場(chǎng)將價(jià)值3億美元。

該報(bào)告強(qiáng)調(diào)，包括可穿戴設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)，RFID，消費(fèi)電子產(chǎn)品和醫(yī)療設(shè)備在內(nèi)的不同領(lǐng)域?qū)⑿枰煌螤钜驍?shù)，功率密度，壽命，當(dāng)然還有價(jià)格點(diǎn)的電池。報(bào)告總結(jié)說(shuō)，可穿戴應(yīng)用在很大程度上需要高能源，如薄膜和柔性鋰電池，預(yù)計(jì)將顯示出最高的市場(chǎng)潛力。

據(jù)Cymbet公司的Steve Grady所說(shuō)，剛剛發(fā)布白皮書，許多應(yīng)用程序的限制是電源。 “將需要新的電源解決方案：小型，薄型，自充電且永不需要更換的電源解決方案。傳統(tǒng)電池根本無(wú)法滿足要求，“Grady說(shuō).2

可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域增長(zhǎng)背后的主要驅(qū)動(dòng)技術(shù)，即超低功耗處理器，傳感器和RF/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電路，都是他補(bǔ)充說(shuō)：“電池壽命長(zhǎng) - 大多數(shù)可穿戴產(chǎn)品都采用了能夠延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命的電源，因此可以隨時(shí)使用，并集成到極小的封裝中 - 僅為1mm3。有些設(shè)備可以通過(guò)能量收集技術(shù)單獨(dú)供電。由射頻或電磁波驅(qū)動(dòng)的基于心跳的植入式心臟起搏器和基于超低功率傳感器的節(jié)點(diǎn)被證明是可行的，以允許無(wú)電池設(shè)計(jì)。

某些應(yīng)用需要非常少的功率和/或具有有限的壽命（例如一些醫(yī)療設(shè)備或RFID標(biāo)簽），單個(gè)不可充電電池可能足以維持產(chǎn)品的預(yù)期使用壽命。但是，在許多情況下，需要電池，通常無(wú)法取出充電，也不能連接充電線。無(wú)線充電正成為一種理想的選擇。電池壽命已經(jīng)成為許多智能移動(dòng)設(shè)備最重要的方面，盡管專注于超低功耗電路，但它可以嚴(yán)重限制可以加入的功耗越來(lái)越大的特性和功能。對(duì)于可穿戴設(shè)備，外形與容量同樣重要，理想情況下電池需要小而薄，并與電子電路共同封裝。

Cymbet的白皮書概述了傳統(tǒng)化學(xué)電池的許多缺點(diǎn)，包括鋰離子和紐扣電池類型。這些包括火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在暴露于高溫和反復(fù)過(guò)度充電的情況下。

同時(shí)，全球范圍內(nèi)的研究很多，專注于提高電池容量，減小電池尺寸，使其靈活，重要的是，低成本。各種材料組合正在開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)中，包括陶瓷結(jié)合鋰，鋰硫，碳/石墨烯鋰，皺巴巴的石墨烯紙，石墨烯基紙等等。

薄膜，固態(tài)和紙質(zhì)柔性電池已經(jīng)存在多年，但大多數(shù)往往是低容量和昂貴的。固態(tài)鋰技術(shù)可以提供更高的容量，使其在某些應(yīng)用中更有用，但卻以犧牲尺寸為代價(jià)。請(qǐng)參見(jiàn)下面的圖2，了解最近的介紹。

圖2：意法半導(dǎo)體的EFL700A39薄薄的固態(tài)鋰薄膜可充電電池容量為0.7 mAh工作電壓范圍為3至4.2 V.尺寸為25.7 x 25.7 mm。在4.2 V的恒定電壓下充電時(shí)間是20分鐘。

同時(shí)，IDTechEx已經(jīng)觀察到越來(lái)越多的努力開(kāi)發(fā)更廣泛的印刷元件，從用于標(biāo)簽的RF天線開(kāi)始，但現(xiàn)在擴(kuò)展到包括傳感器，存儲(chǔ)器和邏輯，以及存儲(chǔ)設(shè)備，如電池和超級(jí)電容器。這引領(lǐng)了更加高度集成的小型化解決方案，更適合物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和最終可穿戴應(yīng)用。無(wú)鋰電池 - 基于硅的固態(tài)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它們可以廉價(jià)且可靠地制造經(jīng)證實(shí)的半導(dǎo)體工藝。此外，它們可以作為獨(dú)立設(shè)備封裝，或者與其他電路一起以裸片形式集成。這是Cymbet采用EnerChip系列無(wú)鋰固態(tài)電池芯片的路線。最小的裸片形式是CBC005，容量為5μA，尺寸僅為1.37 x 0.85 mm，厚度為175μm。它可以與公司的集成電源管理電路和/或超低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘一起打包。目前可用的電池容量為5μAh，12μAh和50μAh。該公司最新推出的產(chǎn)品之一是EnerChip RTC CBC34803-M5C，它結(jié)合了實(shí)時(shí)時(shí)鐘和針對(duì)低功耗應(yīng)用而優(yōu)化的日歷，集成可充電固態(tài)備用電池和所有電源管理功能。雖然主要用于提供低成本，小尺寸（5 x 5 x 1.4 mm）備用電源解決方案，但它說(shuō)明了該技術(shù)的功能。輸出電壓為2.5 V，充電時(shí)間為80％僅需15分鐘。每次充電可實(shí)現(xiàn)最多100小時(shí)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘備份，并且可以進(jìn)行超過(guò)5，000次充電循環(huán)。

評(píng)估套件CBC-EVAL-12-34803可用，具有USB接口板，CBC-TAB-34803，插入PC。該套件允許設(shè)計(jì)人員探索具有I2C接口總線的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘的功能，電源管理功能，如電源故障檢測(cè)，電池充電和放電監(jiān)控，以及可提供的固態(tài)電池本身對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的100小時(shí)備用電源。

圖3：用于CBC-34803集成固態(tài)電池，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和電源管理電路的Cymbet評(píng)估套件可插入PC的USB端口。

Cymbet EnerChip電池技術(shù)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是無(wú)線充電，通常通過(guò)能量收集，近場(chǎng)（NFC）感應(yīng)或RF充電實(shí)現(xiàn)。能量收集對(duì)于可穿戴設(shè)備是一種有用的技術(shù)，特別是使用運(yùn)動(dòng)，壓電或熱電技術(shù)。例如，健身監(jiān)測(cè)小工具可以在使用時(shí)通過(guò)身體運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，但是在不使用時(shí)使用太陽(yáng)能，RF或磁感應(yīng)技術(shù)進(jìn)行再充電。與皮膚接觸的健康監(jiān)測(cè)裝置可以利用身體和周圍空氣之間的溫度差異。收集的能量可用于直接為傳感器和電路供電，和/或?yàn)殡姵爻潆姟?/p>

可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素是最大化能量存儲(chǔ)設(shè)備的能量密度并最小化功耗。超低功耗，微型微處理器現(xiàn)已上市，包括Cymbet使用的Ambiq Micro，以及極低功耗的傳感器和電源管理器件。功率效率的一個(gè)重要設(shè)計(jì)考慮因素是確保設(shè)計(jì)只是在適合應(yīng)用的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行傳感器測(cè)量，并且電路在兩次之間恢復(fù)到低功耗睡眠模式。

Cymbet的白皮書提供一個(gè)有用且有趣的計(jì)算器，用于比較可充電或可更換的原電池（提供應(yīng)用可以容納大量電池）和采用能量收集技術(shù)的成本。細(xì)節(jié)處于細(xì)節(jié)之中，需要對(duì)制造，運(yùn)營(yíng)和總產(chǎn)品壽命成本進(jìn)行一些分析，包括老化特性和報(bào)廢處理程序等因素。最后，它概述了優(yōu)化能量收集設(shè)計(jì)的一些技術(shù)?？纱┐骷夹g(shù)和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，并提供了一些設(shè)計(jì)實(shí)例。

結(jié)論

隨著可穿戴技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)動(dòng)迅速擴(kuò)展，電池尺寸和外形尺寸可以說(shuō)是最重要的挑戰(zhàn)?？梢耘c傳感器和電子電路集成的固態(tài)可充電電池可以提供解決方案。但是，在電池容量和尺寸方面總會(huì)有一個(gè)權(quán)衡。超低功耗電路，智能電源管理和能量收集可以為控制電源需求做出重大貢獻(xiàn)。無(wú)鋰解決方案提供了更加生態(tài)化的方法，而無(wú)線充電有助于將尺寸降至最低。