使用固态锂微电池为下一代可穿戴设备和耳戴式设备提供动力

作者：Vijay Parmar

随着固态锂电池技术的采用，特别是对于电动汽车（EV），对于需要高能量密度和小尺寸、可定制外形组合的1至100毫安时（mAh）的新兴应用而言，它同样具有吸引力。最新的固态锂制造和封装进步在不牺牲性能或能量密度的情况下提高了微电池容量和循环寿命，并为定制微电池形状和尺寸创造了广泛的新选择。

例如，固态锂（Li）微电池的可用性，使用经过验证的无阳极化学成分制造，并且比以前的电池技术更具可扩展性的生产和组装技术将使互联健康产品开发人员能够添加功能并延长充电间隔时间。它还将允许开发人员创建功能更强大，更舒适的健康跟踪环，甚至服装以及需要无线连接和更舒适地贴合耳道的多功能“耳戴式设备”，因为最近通过的立法使它们更接近更广泛的非处方（OTC）听力辅助可用性。

随着固态锂微电池的采用，开发人员将利用两个主要进步的力量：更高的体积能量密度（VED）和外形尺寸自由度。

增加虚拟经济对话

在评估可穿戴设备和耳戴式设备的电池技术时，最重要的能量密度指标是每单位体积或VED可以存储多少能量。电池的VED越高，它可以存储的能量就越大。VED通过除以体积的能量来计算，以瓦特小时每升（Wh / L）为单位。如果两个电池具有相同的容量，其中一个电池的尺寸是其两倍，则较小的电池具有两倍的VED。

VED在确定助听器的尺寸（例如）方面起着至关重要的作用，它是否可以被塑造成舒适地适合耳道，以及它是否可以结合必要的功能来优化声音放大和保真度，以及其他助听功能。它还需要在充电前尽可能长时间地持续。

VED对于数字健康和运动/健身可穿戴设备也很重要。例如，健康跟踪环现在可以监测睡眠、心率、心率变异性、呼吸、温度、血氧、步数和卡路里，并具有葡萄糖和血压监测等附加功能。为这些应用的无线连接供电需要小电池，并提供尽可能高的VED。

在过去的二十年中，锂离子纽扣电池微电池一直是这些设备的主要选择。锂离子（Li-ion）电池中使用的电解质在渗入环境空气时容易受到环境空气的影响并造成损坏，因此制造商必须包括安全机制和包装，因为它们占用空间，进一步减少VED。这些锂离子电池还需要厚厚的内壁和隔板来保护它们，因此很难为新一代可穿戴设备产品供电，这些产品需要更高的VED才能实现新功能和/或更长的充电时间。

固态锂微电池通过提供比传统锂离子电池更多的改进来解决这些问题。首先，它们实现了一种不需要锂离子纽扣电池产品的液体电解质的新架构。而是使用本质安全的固体电解质。此外，薄不锈钢基板可用于改善VED，同时还提供更大的机械强度，减少微电池体积，并用作导体和密封保湿屏障。其次，这种架构有助于在电池内使用超紧凑的半导体式堆叠和封装产生能量的电池，从而进一步改善了VED。

针对传统纽扣电池选项对固态锂微电池的早期测试表明，VED的改进幅度高达两倍，充电周期提高了三倍，充电速度提高了一倍以上（图1），高脉冲放电速度提高了十倍以上。这些功能将改善耳戴式设备等产品的用户体验，这些产品需要更多的处理能力和更长时间更频繁的无线连接，而不会增加设备的尺寸。

图 1.固态锂微电池与其锂离子前身相比具有多种性能优势。

除了提高 VED 和其他微电池性能指标外，固态锂架构还将设计人员从以前技术的外形尺寸限制中解放出来。

释放外形创新

传统上，电池是圆柱形的，因为这种外形尺寸更容易构建。对于含有液体电解质的电池来说，这也是一种更安全的包装选择。对于智能手表和智能手机等大容量设备，存在一些棱柱形和矩形袋电池选项，但连接健康耳戴式设备和可穿戴设备在很大程度上被圆柱形纽扣锂离子可充电电池卡住。更糟糕的是，只有少量的标准尺寸可供选择，除非高产品量证明这些定制尺寸是合理的。

固态锂微电池通过使用经过验证的大批量卷对卷制造技术，实现可定制的矩形外形尺寸，从而改变了这些动态。这些技术用于沉积微电池的阴极和固体电解质。接下来，以自定义的长度和宽度从卷筒中切割出单元单元。然后，可以根据所需的容量将这些电池的可定制数量堆叠到所需高度（图2）。

图 2.电池堆叠可最大限度地提高 VED，并实现可定制的外形尺寸，并支持两侧的直接印刷电路板（PCB） 连接。结合固体电解质的耐高温能力，与早期的纽扣电池技术相比，这种方法简化了最终产品的组装。

除了便于针对特定容量和设计要求进行定制外，固态锂微电池比纽扣电池更坚固可靠。堆叠电池的封装和金属化使得连接器可以在两侧添加，以实现直接的PCB连接。图3显示了固态锂微电池的典型制造流程。由于这些微电池可以承受更高的温度，因此可以使用标准的表面贴装技术（SMT）将微电池组装到具有较低温度（高达+160°C）回流焊曲线的PCB上。

图 3.固态锂微电池架构使用经过验证的可扩展卷对卷技术实现电池堆叠，以及通过封装和金属化增强的多层芯片堆叠，以实现坚固可靠的1 mAh至100 mAh微电池。

固态锂微电池架构对于实现纤薄时尚的健身戒指的全部潜力至关重要，理想情况下，该健身戒指应从多个传感器输入提供持续更新，并且无需充电即可全天工作。同样的架构还将使耳戴式设备具有更多的处理和连接功能，看起来更像是非污名化的消费耳塞。随着它们进入市场，这些和其他连接的健康和健身产品将被新的，更高性能，高能量密度的微电池所改变，这些微电池可以以可定制的外形尺寸制造，具有比以前更高的精度，效率和可扩展性。