用于能量收集系統(tǒng)設(shè)計的電池解決方案

可以采集環(huán)境光，熱梯度，振動/運(yùn)動或電磁輻射來為電子設(shè)備供電。同時，所有基于能量收集的系統(tǒng)在無法收獲能量時（例如，在夜間用于太陽能系統(tǒng)）需要能量存儲。可再充電電池 - 被稱為“二級”電池，以區(qū)別于“初級”或一次性電池 - 通常用于此任務(wù)。本文將研究能量收集系統(tǒng)設(shè)計人員可用的各種二次電池技術(shù)，以尋找具有成本效益且功能強(qiáng)大的電池解決方案。

一次電池和二次電池包含與陰極相同的基本結(jié)構(gòu)，陽極，用于在端子之間移動電荷的電解質(zhì)，以及將它們分開的裝置。二次電池的特征在于所用的可再充電化學(xué)品的類型，例如鎳 - 鎘或鋰 - 聚合物，或固態(tài)薄膜。

雖然能量收集系統(tǒng)設(shè)計師可能不會專注于細(xì)胞結(jié)構(gòu)和化學(xué)，但是開發(fā)各種技術(shù)的工作知識將會有所幫助，因為細(xì)胞化學(xué)決定了所有電池性能指標(biāo)和限制。

NiCd和NiMH

鎳鎘（NiCd）電池的市場運(yùn)行時間最長用于便攜式電子設(shè)備的二次電池，導(dǎo)致成熟的技術(shù)和低成本。但是，NiCd也具有性能優(yōu)勢。

例如，最新的NiCd電池具有非常低的內(nèi)阻，可與標(biāo)準(zhǔn)堿性電池相媲美。除容量外，內(nèi)阻是第二重要的規(guī)格，因為它決定了電池在充電和放電時的最大性能，因為它會降低電池效率。內(nèi)部電阻限制了工作條件，如溫度，并決定了電池的使用壽命。其低內(nèi)阻使NiCd成為短時間內(nèi)需要高功率的理想選擇。高達(dá)50倍電池容量的放電電流（或1 Ah電池的50 A）容易被容忍，并且對容量的影響最小。當(dāng)電池放電時，端子電壓變化非常緩慢，并且在長時間完全放電后NiCd電池不會惡化。在21°C時，自放電率約為每月20％。常見的NiCd單元尺寸是AA。 Sanyo Cadnica SY115-ND（圖1）在140 mA（0.2 C速率）下提供70 mAh的容量。 50％放電時的內(nèi)部阻抗為16mΩ（1，000 Hz），充電電流范圍為70 mA（標(biāo)準(zhǔn)，14至18小時充電時間）至1，050 mA（快速，約1小時充電時間）。

圖1：Sanyo Cadnica SY115-ND 700 mAh NiCd AA細(xì)胞（左）和細(xì)胞本身的結(jié)構(gòu)。

鎳氫（NiMH）技術(shù)已開始在許多應(yīng)用中取代NiCd電池。盡管NiMH用吸氫合金代替鎘，但電池和電極結(jié)構(gòu)與NiCd電池有許多共同之處。

金屬氫化物電池的尺寸低至AAA，并且出現(xiàn)在許多當(dāng)前的消費(fèi)產(chǎn)品中，使其與更成熟的NiCd技術(shù)相比具有價格競爭力，同時達(dá)到或超過NiCd性能。 NiMH具有高放電率和低端電壓下垂，可實現(xiàn)相對較高的放電深度。能量密度可高達(dá)NiCd電池的兩倍。

NiMH電池的自放電率與NiCd相似;一些所謂的混合電池包含較厚的電極隔板以降低效果。這些電池通常預(yù)先充電并隨時可以運(yùn)輸，因為某些型號在20°C下儲存時可保持高達(dá)80％的充電狀態(tài)一年。圖2顯示了Energizer NH-15-2300 AA電池的放電特性。

圖2：Energizer NiMH AA電池放電特性。

鋰和薄膜

鋰離子（Li-ion）電池與NiMH電池相比，功率密度提高了兩倍。由于便攜式計算設(shè)備的成功，鋰電池價格正在下降。例如，Panasonic-BSG以非常小的硬幣形式生產(chǎn)鋰電池，容量范圍從幾mAh到100 mAh（放電率為0.002 C）。 P088-ND電池在30 mm直徑和4.2 mm厚的封裝中實現(xiàn)了這種高容量，規(guī)定可在500小時內(nèi)提供200μA的電流。與其他二次電池相比，鋰離子電池具有較高的內(nèi)阻。

圖3：Panasonic-BSG P088-ND 100-mAh鋰紐扣電池。

鋰聚合物（通常稱為Li-Po）電池是一類特定的鋰離子電池，其中電解質(zhì)保持在聚合物材料中。與標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池相比，Li-Po電池可提高給定重量的功率輸出。鋰聚合物電池對于能量收集具有吸引力，因為它們具有非常高的放電至充電效率（與標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池的低于90％相比，大于99％）。但是，雖然鋰離子/聚合物化學(xué)電池提供了必要的高性能特性，但必須小心處理。例如，如果超過其推薦的浮動電壓超過100 mV，則鋰離子/聚合物電池會變得不穩(wěn)定。在為所有鋰基二次電池設(shè)計充電和放電控制電路之前，應(yīng)仔細(xì)檢查制造商的規(guī)格。

薄膜二次電池是一類特殊的鋰離子電池，其中元件尺寸的減小增加了電極的有效表面積，使制造商能夠?qū)⒏嗟幕钚猿煞謹(jǐn)D壓成更小的電池體積。結(jié)果顯著提高了性能，尤其是在功率和能量密度等級方面。電解質(zhì)是固態(tài)的。

Cymbet是此類細(xì)胞的領(lǐng)先制造商之一。電池的大小允許將能量存儲分配到集成電路級。 Cymbet電池可作為裸芯片出售，用于IC封裝，將電池備份SRAM的舊概念擴(kuò)展到新的層面。

固態(tài)EnerChip薄膜存儲單元也可作為標(biāo)準(zhǔn)IC封裝的單個單元提供。 Cymbet 859-1009-1-ND（圖4）采用QFN封裝。在2 C放電率下額定容量為50μAh。即使具有相對高的放電速率和50％的放電深度，薄膜電池在25°C下的額定壽命為1，000個循環(huán)。標(biāo)稱電池電壓為4.2 V，簡化了與各種電子元件的集成。

圖4：Cymbet 859-1009-1-ND 50- μAh4.2-V薄膜電池。

固態(tài)薄膜電池的另一個獨特優(yōu)勢是它們能夠在低溫下工作。具有液體電解質(zhì)的常規(guī)電池可能凍結(jié)甚至破壞其電池盒。隨著溫度降低，內(nèi)部電池電阻增加。具有固態(tài)電解質(zhì)，沒有電池殼破裂的問題。雖然隨著溫度的降低仍會使內(nèi)部電阻增加，但電池會在非常寒冷的條件下繼續(xù)工作，仍可在-40°C的低溫下提供電流。在這種情況下，您可以將電池與需要高電流脈沖的電容器耦合，例如為無線傳感器中的無線電發(fā)射器供電。

Infinite Power Solutions（IPS）是另一家著名的固態(tài)可充電薄膜電池供應(yīng)商，非常適合藍(lán)牙智能設(shè)備和其他無線傳感器等自主式自供電應(yīng)用。其THINERGY微能量電池（MEC）具有接近零的自放電電流，并具有100，000次充電循環(huán)，可以延長應(yīng)用的使用壽命。

IPS THINERGY MEC201（圖5）中的活性材料包括鋰鈷氧化物（LiCoO2）陰極和鋰金屬陽極。使用稱為LiPON（鋰磷氮氧化物）的固態(tài)電解質(zhì); LiPON中的低電子電導(dǎo)率導(dǎo)致非常低的自放電，使得該技術(shù)非常適用于能夠長時間可靠存儲能量而無需再充電的應(yīng)用。

由于其內(nèi)部電池電阻低，該器件是僅有極低電流充電源的應(yīng)用中的能量儲存的理想選擇;低至1μA的脈沖或連續(xù)電流可用于有效地為該設(shè)備充電。

圖5：在THINERGY MEC201中，正極和負(fù)極鍍鎳標(biāo)簽形式的外部端子位于電池頂部邊緣，便于焊接多氯聯(lián)苯。

總結(jié)

根據(jù)所收集的能源，負(fù)載需求以及各種其他系統(tǒng)設(shè)計考慮因素，蓄電池解決方案有很多選擇。在目前可用的二次電池化學(xué)中，高放電率，低自放電，高能量密度和其他性能特征是非常不同的。將電池特性與能量輸入和輸出曲線相匹配將提高能量收集系統(tǒng)的性能。始終參考制造商的規(guī)格，以優(yōu)化性能并延長電池的使用壽命。另外，請務(wù)必密切注意所有安全準(zhǔn)則，以避免在使用可充電電池時發(fā)生任何不幸事故。