固態(tài)鋰微電池將改變小型連接設備的設計和供電方式，但需要了解它們的工作原理。

雖然電動汽車 (EV) 行業(yè)正在積極探索固態(tài)鋰電池的使用，但該技術尚未開始向估計每年出貨的 10 億多個可穿戴設備、可聽設備和物聯(lián)網(wǎng)傳感器遷移。隨著專為小型連接設備設計的可充電 1 毫安時 (mAh) 至 100 mAh 固態(tài)鋰微電池的出現(xiàn)，這種情況即將改變。

固態(tài)鋰技術將消除鋰離子 (Li-ion) 紐扣電池強加給產(chǎn)品開發(fā)人員的設計限制和系統(tǒng)復雜性。它將更高的能量密度與更小的長方體(而不是圓柱形)外形相結合，其長度、寬度和高度可以定制以適應最終產(chǎn)品。該技術還將使微型電池能夠使用與連接設備中的其他組件相同的標準回流組裝工藝放置在印刷電路板 (PCB) 上。

利用這些能力需要了解固態(tài)鋰微電池是如何設計和制造的，以及如何將它們集成到最終產(chǎn)品組裝過程中。

為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品適配固態(tài)鋰電池

小型連接設備具有獨特的要求，鋰離子紐扣電池越來越難以滿足這些要求。這主要是因為它們的能量密度、充電和外形尺寸限制。

需要傳統(tǒng)圓形紐扣電池外形尺寸以外的其他東西的制造商通常采用鋰聚合物 (Li-po) 替代品。例如，這些電池可以安裝到智能環(huán)的彎曲形狀中。它們還僅提供鋰離子體積的一半或更少的能量密度，并且需要明顯更厚的部分來適應它們的高度。

雖然這些問題可以通過固態(tài)鋰技術解決，但只有在電池不使用鋰金屬陽極的情況下才可行。在制造過程中，這種類型的陽極必須沉積在電池電解質(zhì)的頂部。由于鋰對水分和空氣的敏感性，它需要零濕度插件和基于氬 (AR) 的環(huán)境，這增加了工藝的成本和復雜性，同時限制了可擴展性。

固態(tài)鋰電池的早期研發(fā)工作將鋰磷氧氮化物(LiPON)確定為一種有效的固體電解質(zhì)。LiPON 是抗枝晶的，并且對鋰陽極層非常穩(wěn)定。雖然最初的工作使用沉積的鋰金屬陽極，但研究人員很快意識到了它的局限性并轉(zhuǎn)向了無陽極設計。

無陽極固態(tài)電池是在沒有任何陽極沉積在電解質(zhì)上的情況下制造的。當電池首次由來自陰極的鋰通過電解質(zhì)充電時，形成鋰金屬陽極。無陽極電池的制造無需控制環(huán)境或使用特殊工藝，因為不涉及鋰金屬。

在取得這些基礎性成就之后的幾年里，需要額外的工作來解決將無陽極化學材料集成到滿足連接設備性能要求的商用微型電池中的許多界面挑戰(zhàn)。尤其具有挑戰(zhàn)性的是實現(xiàn)足夠低的阻抗以滿足更高的體積能量密度和更快的充電需求，以及具有增長空間的更高循環(huán)。

顯示了無陽極電池化學及其各種元素的示例。在其初始預充電/制造狀態(tài)下，固態(tài)鋰微電池是無陽極的。

一旦固態(tài)鋰微電池充電，就會在陽極集電器和固態(tài)電解質(zhì)之間形成一層鋰，固態(tài)電解質(zhì)現(xiàn)在成為陽極。界面挑戰(zhàn)存在于幾個關鍵點，包括基板和陰極之間、陰極和固體電解質(zhì)之間以及固體電解質(zhì)和封裝本身之間。

規(guī)劃技術采用

小型連接設備的開發(fā)人員現(xiàn)在正在為滿足其需求的可充電固態(tài)鋰微電池的到來做準備。他們對這項技術的好處了解得越多，他們就能更好地利用它們。從設計構思階段開始，一直到最終產(chǎn)品的組裝，這些優(yōu)勢包括：

更高的能量密度和更快的充電速度

下一代聯(lián)網(wǎng)設備將需要顯著更高的單位體積能量存儲或體積能量密度 (VED)，其計算方法是將電池容量除以體積，以每升瓦時 (Wh/l) 衡量。如果兩節(jié)電池的容量相同，其中一節(jié)的容量是兩倍，那么較小的一節(jié)的 VED 是兩倍。

VED 在固態(tài)鋰微電池中進行了優(yōu)化，使用超薄(10 微米)鋼基板，在微電池架構中占用盡可能少的空間。VED 的進一步改進來自于電池內(nèi)產(chǎn)生能量的電池的超緊湊堆疊和包裝。總之，這些功能使鋰離子微電池的 VED 提高了兩到三倍，需要占用空間的安全機制和內(nèi)部包裝來保護其脆弱的電解質(zhì)免受環(huán)境大氣的破壞性影響。

借助高 VED，設計人員可以創(chuàng)建更小的助聽器，集成更多功能以提高聲音放大和保真度，以及其他助聽功能。他們可以開發(fā)健康跟蹤環(huán)，在充電前更長時間監(jiān)測睡眠、心率和心率變異性、呼吸、溫度、血氧、步數(shù)、卡路里、葡萄糖和血壓。與傳統(tǒng)紐扣電池相比，無陽極固態(tài)鋰微電池的早期測試表明，VED 提高了兩倍，充電速度提高了兩倍以上。