鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：764次 | 2021年06月08日
從EDLC和鋰離子電池到鈦酸鋰離子電池
移動(dòng)、可穿戴、手持是電子行業(yè)逐漸步入萬(wàn)物互聯(lián)、人工智能時(shí)代的關(guān)鍵詞，支持這種改變便是蓄電技術(shù)。
然而，產(chǎn)品功能與日俱增，對(duì)蓄電裝置的輸出能力和蓄電能力要求越來(lái)越高。另外，產(chǎn)品壽命要求變高，很多產(chǎn)品甚至要在生命周期內(nèi)無(wú)需更換電池。
因此，新的需求催生了蓄電裝置的轉(zhuǎn)變。尼吉康在此背景之下，開(kāi)發(fā)了一種新型的小型鋰離子可充電電池，并在CEATEC2020上展示了這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)度和成果。
兼顧高功率密度和高能量密度
目前來(lái)說(shuō)，重要使用的蓄電裝置重要分為EDLC（電器雙層電容器）、蓄電池、鎳氫電池、鋰離子可充電電池。其中，大部分與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能相關(guān)移動(dòng)應(yīng)用多采用EDLC和鋰離子電池方法。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
尼吉康展示了一張Ragoneplot（功率密度與對(duì)應(yīng)能量密度的對(duì)數(shù)關(guān)系圖），比較不同裝置蓄電裝置的功率密度和能量密度。
功率密度采用循環(huán)伏安法（CV）進(jìn)行測(cè)量，公式為E=0.5CV2/23.6Wh/kg
能量密度采用恒流充放電（GCD）進(jìn)行測(cè)量，公式為p=3600E/tW/kg。
式中C（F/g）為整個(gè)電容的比電容，計(jì)算時(shí)需計(jì)算兩個(gè)電極的質(zhì)量，即C=1/2πfZ''；V（V）為窗口電壓；t(s)為放電時(shí)間。
通過(guò)公式可以看出，功率密度重要取決于電極材料自身容量和窗口電壓，通過(guò)改性或新材料可提高電極材料的電容性能，能量密度則取決于電池的放電時(shí)間。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
經(jīng)過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，蓄電池和鎳氫電池明顯不滿足大功率輸出需求。EDLC雖然擁有很好的功率密度，即很好的充放電流，但放電時(shí)間很短，最終導(dǎo)致容量不足；鋰離子可充電電池?fù)碛泻芎玫哪芰棵芏龋粗β拭芏容^小，不能滿足大容量需求。
擁有高功率密度和高能量密度，意味著能在保持續(xù)航前提下，擁有瞬時(shí)大功率。正是因?yàn)榛趯?duì)市場(chǎng)的洞察，尼吉康才研發(fā)了兼顧兩個(gè)性能的小型鋰離子可充電電池SLB系列。
通過(guò)比較EDLC與鋰電子電池?cái)?shù)據(jù)參數(shù)，尼吉康所研發(fā)的小型鋰電子可充電電池在能量密度上可達(dá)40Wh/kg，優(yōu)于EDLC；在功率密度上達(dá)到3kW/kg，可在-30~60℃下使用，周期壽命超過(guò)25,000回，并且不會(huì)因熱失控著火，全面優(yōu)于鋰離子電池。
負(fù)極材料變?yōu)長(zhǎng)TO，結(jié)構(gòu)優(yōu)化為圓筒狀
為何尼吉康的小型鋰離子可充電電池?fù)碛腥绱说摹澳ЯΑ保軌蚣骖檭煞N性能？根據(jù)尼吉康的介紹，這重要?dú)w功于基本技術(shù)采用了東芝（TOSHIBA）可充電電池SCiB技術(shù)，開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的負(fù)極采用了鈦酸鋰（Li4Ti5O12，Lithiumtitanateoxide，LTO）。
除此之外，尼吉康還在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化。普通的鋰離子可充電電池的結(jié)構(gòu)一般采用圓筒形、方形和鈕扣形。尼吉康開(kāi)發(fā)的小型鋰離子可充電電池采用了圓筒形狀，幾乎與尼吉康電氣雙層電容器的基本結(jié)構(gòu)一致，由正極、負(fù)極、隔膜、電解液以及外殼材料構(gòu)成。
傳統(tǒng)的鋰離子電池?zé)o論正極采用的是磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、鎳酸還是鎳鈷錳三元材料，其負(fù)極都是采用的石墨。碳材料作為鋰離子電池的負(fù)極，不僅容量較低，還有可能在碳電極表面析出金屬鋰，與電解液反應(yīng)出現(xiàn)可燃?xì)怏w混合物，存在安全隱患。
LTO則反之，這種材料的重要特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很好，可以適用于長(zhǎng)壽命、快充等領(lǐng)域。這是因?yàn)長(zhǎng)TO從材料結(jié)構(gòu)上來(lái)講，屬于面心立方尖晶石結(jié)構(gòu)，尖晶石結(jié)構(gòu)對(duì)鋰離子有一定的容納空間，一般1個(gè)鈦酸鋰能容納3個(gè)鋰離子。
因此，在充放電之時(shí)，鋰離子嵌入和脫嵌對(duì)LTO材料結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響，LTO的晶型結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)變化，也就是所謂的“零應(yīng)變材料”。
這種“零應(yīng)變”特性能夠防止充放電過(guò)程中，由于材料伸縮變化而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而提高電極的性能和減少比容量的大幅度衰減，延長(zhǎng)了鋰離子電池的使用壽命。通過(guò)比較石墨負(fù)極材料，LTO的嵌鋰電位更高，能夠有效防止金屬鋰析出和鋰枝晶的形成。
除此之外，LTO還擁有很強(qiáng)的溫度很高的熱穩(wěn)定性，不自燃且與電解液的反應(yīng)性低的材料，所以LTO在熱穩(wěn)定表現(xiàn)上優(yōu)于以往鋰離子電池采用的碳素材料。
而在內(nèi)部短路電流方面，LTO表面由于相變化阻抗變高，只有微量電流通過(guò)，因此不會(huì)在短路時(shí)高溫發(fā)燙；另外，使用LTO的產(chǎn)品在高速充電、低溫、長(zhǎng)期循環(huán)時(shí)也不會(huì)達(dá)到Li析出電壓。
通過(guò)比較以往采用碳素材料（石墨）的產(chǎn)品，在進(jìn)行高速充電時(shí)，普通鋰離子電池放電電壓基本上會(huì)達(dá)到0V以下，這種情況下便達(dá)到了Li金屬析出電壓。
LTO與鋰離子電池負(fù)極中常用的石墨材料相比，電位比較高，達(dá)到1.5V(vs.Li/Li+)，安全性相對(duì)較好，但是，這也會(huì)導(dǎo)致LTO在全電池的額定相對(duì)偏低，只有2.3-2.5V左右。額定電壓由正極的電壓與負(fù)極的電壓之差決定，鋰離子可充電電池約為3.8伏，而SLB系列則為2.4伏。
不斷擴(kuò)充的SLB系列
那么，LTO材料最終顯現(xiàn)在尼吉康的小型鋰離子可充電電池的具體效果是怎么樣的？根據(jù)尼吉康介紹，小型鋰離子可充電電池?fù)碛?個(gè)特性：
1、長(zhǎng)壽命：一般來(lái)說(shuō)普通產(chǎn)品只能充放電2,000Cycle（回/循環(huán)壽命）。在此方面，通過(guò)對(duì)Φ12.5x40L_150mAh產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果顯示，在充放電25,000Cycle后依然能維持80%以上的容量。
2、急速充放電：在20C大電流充放電的情況下，SLB可實(shí)現(xiàn)3分鐘內(nèi)全容量80%的超急速充電，和3分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過(guò)全容量90%的超急速放電。
3、低溫特性：一般來(lái)說(shuō)，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(guò)測(cè)試顯示，SLB在-30℃的寒冷地區(qū)雖然性能會(huì)稍稍下降，但仍然可以使用。
4、安全性：上文也介紹了LTO這種材料的安全性，所以在壓壞、釘扎、BlutNail試驗(yàn)、外短、過(guò)充電、強(qiáng)制放電等強(qiáng)制使內(nèi)部短路時(shí)，幾乎不會(huì)發(fā)生破裂或著火的可能，十分安全。
從產(chǎn)品上來(lái)講，目前SLB系列最小尺寸為φ3×7L已經(jīng)量產(chǎn)，Φ8×11.5L和φ12.5×40L的量產(chǎn)在2020年十二月以后。
SLB系列的額定電壓為2.4伏（該額定電壓是標(biāo)稱(chēng)電壓，即可用電壓范圍的平均值），可在-30°C至60°C的溫度范圍使用。最大充電電壓為2.8伏，放電終止電壓為1.8伏。由此可以看出它與EDLC的2.7伏電壓為同等級(jí)，所以可以與EDLC進(jìn)行替換使用。但是，由于SLB系列不能像EDLC那樣放電至0伏，所以必須保證產(chǎn)品電壓高于1.8伏。
在認(rèn)證方面，SLB系列目前取得了CB、UL、BSMI、VNTA等國(guó)際安全認(rèn)證。目前產(chǎn)品生產(chǎn)在尼吉康大野株式會(huì)社第二廠（已經(jīng)取得ISO9001、IATF16949、ISO14001認(rèn)證）。
擁有廣泛的使用場(chǎng)景
這款小型鋰離子可充電電池目標(biāo)市場(chǎng)非常廣泛，具體包括電子筆、無(wú)線耳機(jī)、行車(chē)記錄儀、車(chē)載用輔助電源（動(dòng)力轉(zhuǎn)向、門(mén)鎖解除、緊急呼叫、ADAS等）、充電式玩具、電動(dòng)工具、電子香煙、IoT設(shè)備（定點(diǎn)觀測(cè)、狀態(tài)監(jiān)視）、穿戴式終端、智能電表、內(nèi)存?zhèn)浞荩译?、工業(yè)機(jī)器等）、筆記本電腦（CMOS備份）、遙控器等。
近年來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們的生活有了很大的改變。利用AI分析從各種各樣的“物品”上搭載的各類(lèi)傳感器收集來(lái)的大數(shù)據(jù)，然后高效地推動(dòng)事物，出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出通知等，逐漸成為生活中不可或缺的存在。利用傳感器的感測(cè)要電源，市場(chǎng)要求全新的蓄電裝置。
其中較為典型的用例便是尼吉康與理光微電子（RICOH）合作的環(huán)境傳感器。這一機(jī)制是利用理光微電子的能量收集用低電流降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，對(duì)光伏板發(fā)電的電氣進(jìn)行降壓后，在小型鋰離子可充電電池中蓄電。
利用低電流升降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)蓄電電能進(jìn)行降壓后，向可以檢測(cè)溫度、濕度、氣壓、照度的傳感器供電和驅(qū)動(dòng)無(wú)線模塊，然后通過(guò)藍(lán)牙功能將感測(cè)到的信息發(fā)送出去并且收集數(shù)據(jù)。此外，還將搭載可以監(jiān)控電池電壓的IC，就能很容易獲知剩余的電池電量。
該環(huán)境傳感器中搭載了尼吉康的“SLB系列”小型鋰離子可充電電池0.35mAh（φ3×7Lmm），與光伏發(fā)電搭配后，實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)?！癝LB系列”最適合的理由是，可以實(shí)現(xiàn)低電流充電和大電流放電，循環(huán)特性卓越，并且是長(zhǎng)壽命。
有關(guān)低電流充電，相比普通的鋰離子可充電電池，由于其內(nèi)部電阻小，因此低電流也能進(jìn)行充電。由于多數(shù)情況下能量收集器的發(fā)電電流小，因此能夠用低電流進(jìn)行充電，這一點(diǎn)相比其他電池有優(yōu)勢(shì)。
有關(guān)大電流放電，由于其內(nèi)部電阻小，因此可以瞬間進(jìn)行放電。在物聯(lián)網(wǎng)的世界里，可以通過(guò)各種通信方式收集數(shù)據(jù)，但所需電力取決于信息量和距離，耗電量越大，越要大電流。
普通的鋰離子可充電電池想要用大電流進(jìn)行放電，只能新增產(chǎn)品容量，產(chǎn)品尺寸也會(huì)變大?！癝LB系列”可以實(shí)現(xiàn)小型而大電流，尺寸也無(wú)需變大。有關(guān)循環(huán)特性，相比普通的鋰離子可充電電池，可以實(shí)現(xiàn)10倍以上的充放電，而且可以做到免維護(hù)。
還有一個(gè)典型的用例就是三星Note10的Spen。此前，三星在電容方面采用的是其他公司生產(chǎn)的EDLC，而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、安全性方面也擁有最佳性能。
利用SLBφ3×7L新型智能手機(jī)“GalaxyNote10和Note10+”的Ｓ筆特有的遠(yuǎn)程操作功能進(jìn)一步得到升級(jí)，可用低功耗Bluetooth(ＢＬＥ)識(shí)別Ｓ筆的動(dòng)作，并且遠(yuǎn)程控制智能手機(jī)。為實(shí)現(xiàn)升級(jí)版的Ｓ筆功能，三星電子公司采用了尼吉康的小型鋰離子可充電電池，可使用時(shí)間也新增到了約10小時(shí)。此外，相比普通的鋰離子可充電電池，尼吉康的鋰離子可充電電池在高輸出入的情況下可實(shí)現(xiàn)約10倍電流的充放電，而且冒火冒煙的危險(xiǎn)性極低，具有卓越的安全性。
除此之外，這款產(chǎn)品還與ROHM株式會(huì)社供應(yīng)的充電控制IC搭配可以實(shí)現(xiàn)超快速充電；與特瑞仕半導(dǎo)體株式會(huì)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(kāi)關(guān)搭配，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）；與ADI公司的線性充電器和降壓/升壓調(diào)節(jié)器搭配，驅(qū)動(dòng)各種設(shè)備。
用例非常多，可以說(shuō)只要使用的到急速充放電和大容量電池的場(chǎng)景下，這款產(chǎn)品都能發(fā)揮出功效。
通過(guò)尼吉康的布局來(lái)看，目前小型鋰離子可充電電池SLB系列已逐漸從Φ3x7L的超小型，逐漸擴(kuò)展到Φ8×11.5L和φ12.5×40L的尺寸，新產(chǎn)品充放電電流更大，容量更大，更多應(yīng)用可能性被提出。
