【導讀】隨著固態鋰電池技術的采用，特別是對于電動汽車（EV），對于需要高能量密度和小尺寸、可定制外形組合的1至100毫安時（mAh）的新興應用而言，它同樣具有吸引力。最新的固態鋰制造和封裝進步在不犧牲性能或能量密度的情況下提高了微電池容量和循環壽命，并為定制微電池形狀和尺寸創造了廣泛的新選擇。
隨著固態鋰電池技術的采用，特別是對于電動汽車（EV），對于需要高能量密度和小尺寸、可定制外形組合的1至100毫安時（mAh）的新興應用而言，它同樣具有吸引力。最新的固態鋰制造和封裝進步在不犧牲性能或能量密度的情況下提高了微電池容量和循環壽命，并為定制微電池形狀和尺寸創造了廣泛的新選擇。
例如，固態鋰（Li）微電池的可用性，使用經過驗證的無陽極化學成分制造，并且比以前的電池技術更具可擴展性的生產和組裝技術將使互聯健康產品開發人員能夠添加功能并延長充電間隔時間。它還將允許開發人員創建功能更強大，更舒適的健康跟蹤環，甚至服裝以及需要無線連接和更舒適地貼合耳道的多功能“耳戴式設備”，因為最近通過的立法使它們更接近更廣泛的非處方（OTC）聽力輔助可用性。
隨著固態鋰微電池的采用，開發人員將利用兩個主要進步的力量：更高的體積能量密度（VED）和外形尺寸自由度。
增加虛擬經濟對話
在評估可穿戴設備和耳戴式設備的電池技術時，最重要的能量密度指標是每單位體積或VED可以存儲多少能量。電池的VED越高，它可以存儲的能量就越大。VED通過除以體積的能量來計算，以瓦特小時每升（Wh / L）為單位。如果兩個電池具有相同的容量，其中一個電池的尺寸是其兩倍，則較小的電池具有兩倍的VED。
VED在確定助聽器的尺寸（例如）方面起著至關重要的作用，它是否可以被塑造成舒適地適合耳道，以及它是否可以結合必要的功能來優化聲音放大和保真度，以及其他助聽功能。它還需要在充電前盡可能長時間地持續。
VED對于數字健康和運動/健身可穿戴設備也很重要。例如，健康跟蹤環現在可以監測睡眠、心率、心率變異性、呼吸、溫度、血氧、步數和卡路里，并具有葡萄糖和血壓監測等附加功能。為這些應用的無線連接供電需要小電池，并提供盡可能高的VED。
在過去的二十年中，鋰離子紐扣電池微電池一直是這些設備的主要選擇。鋰離子（Li-ion）電池中使用的電解質在滲入環境空氣時容易受到環境空氣的影響并造成損壞，因此制造商必須包括安全機制和包裝，因為它們占用空間，進一步減少VED。這些鋰離子電池還需要厚厚的內壁和隔板來保護它們，因此很難為新一代可穿戴設備產品供電，這些產品需要更高的VED才能實現新功能和/或更長的充電時間。
固態鋰微電池通過提供比傳統鋰離子電池更多的改進來解決這些問題。首先，它們實現了一種不需要鋰離子紐扣電池產品的液體電解質的新架構。而是使用本質安全的固體電解質。此外，薄不銹鋼基板可用于改善VED，同時還提供更大的機械強度，減少微電池體積，并用作導體和密封保濕屏障。其次，這種架構有助于在電池內使用超緊湊的半導體式堆疊和封裝產生能量的電池，從而進一步改善了VED。
針對傳統紐扣電池選項對固態鋰微電池的早期測試表明，VED的改進幅度高達兩倍，充電周期提高了三倍，充電速度提高了一倍以上（圖1），高脈沖放電速度提高了十倍以上。這些功能將改善耳戴式設備等產品的用戶體驗，這些產品需要更多的處理能力和更長時間更頻繁的無線連接，而不會增加設備的尺寸。
圖 1.固態鋰微電池與其鋰離子前身相比具有多種性能優勢。
除了提高 VED 和其他微電池性能指標外，固態鋰架構還將設計人員從以前技術的外形尺寸限制中解放出來。
釋放外形創新
傳統上，電池是圓柱形的，因為這種外形尺寸更容易構建。對于含有液體電解質的電池來說，這也是一種更安全的包裝選擇。對于智能手表和智能手機等大容量設備，存在一些棱柱形和矩形袋電池選項，但連接健康耳戴式設備和可穿戴設備在很大程度上被圓柱形紐扣鋰離子可充電電池卡住。更糟糕的是，只有少量的標準尺寸可供選擇，除非高產品量證明這些定制尺寸是合理的。
固態鋰微電池通過使用經過驗證的大批量卷對卷制造技術，實現可定制的矩形外形尺寸，從而改變了這些動態。這些技術用于沉積微電池的陰極和固體電解質。接下來，以自定義的長度和寬度從卷筒中切割出單元單元。然后，可以根據所需的容量將這些電池的可定制數量堆疊到所需高度（圖2）。
圖 2.電池堆疊可最大限度地提高 VED，并實現可定制的外形尺寸，并支持兩側的直接印刷電路板（PCB） 連接。結合固體電解質的耐高溫能力，與早期的紐扣電池技術相比，這種方法簡化了最終產品的組裝。
除了便于針對特定容量和設計要求進行定制外，固態鋰微電池比紐扣電池更堅固可靠。堆疊電池的封裝和金屬化使得連接器可以在兩側添加，以實現直接的PCB連接。圖3顯示了固態鋰微電池的典型制造流程。由于這些微電池可以承受更高的溫度，因此可以使用標準的表面貼裝技術（SMT）將微電池組裝到具有較低溫度（高達+160°C）回流焊曲線的PCB上。
圖 3.固態鋰微電池架構使用經過驗證的可擴展卷對卷技術實現電池堆疊，以及通過封裝和金屬化增強的多層芯片堆疊，以實現堅固可靠的1 mAh至100 mAh微電池。
固態鋰微電池架構對于實現纖薄時尚的健身戒指的全部潛力至關重要，理想情況下，該健身戒指應從多個傳感器輸入提供持續更新，并且無需充電即可全天工作。同樣的架構還將使耳戴式設備具有更多的處理和連接功能，看起來更像是非污名化的消費耳塞。隨著它們進入市場，這些和其他連接的健康和健身產品將被新的，更高性能，高能量密度的微電池所改變，這些微電池可以以可定制的外形尺寸制造，具有比以前更高的精度，效率和可擴展性。
（來源：中電網，作者：Vijay Parmar）
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