小型固态电池开启物联网新纪元

作为传统锂离子电池的替代品，固态电池的开发工作目前正在全球范围内展开。这种新一代的电池采用性质稳定且不易燃的固体电解质材料来代替液体，消除了泄漏和着火的风险，具有优秀的安全性、高可靠性和更长的使用寿命。TDK 成功地实现了全球首款全陶瓷固态SMD 电池CeraCharge™ 的商业化，并有望搭载于各种IoT 设备中。

1   解决传统锂离子电池局限性的下一代解决方案

毫不夸张地说，随着我们进入物联网时代，几乎所有事物都连接到了互联网，要想提高各种智能设备的普及率，除了紧凑的外形和更强的通信功能之外，高电池性能也是必不可少的。具有高能量密度的锂离子电池如今被广泛用于各种电子设备，例如笔记本电脑、智能手机和无线耳塞等，并且越来越多地运用于无人机、电动自行车和EV（电动汽车）中。然而，由于锂离子电池是使用易燃的有机溶剂电解质制成，存在泄漏和着火的风险，因此物联网设备制造商对开发更安全、更可靠的含有稳定电解质材料的固态电池的需求也与日俱增。预计将来EV 等设备中的大容量电池也将被固态电池取代，其市场规模将进一步扩大。

由图1 可见，固态电池市场在未来10 年内预计将呈指数增长。

固态电池的优势是采用固态电解质材料代替传统锂离子电池中的液态电解质，可提供较高水平的安全性和更长的使用寿命（如图2）。

图1 小型全固态锂离子薄型电池的全球市场规模和预测（来源：以全球下一代电池市场为基础：日本矢野经济研究所2019年主要调查研究结果。）

图2 常规锂离子电池与固态锂离子电池的对比

2   由TDK率先推出的固态SMD电池CeraCharge的功能

随着全球各公司不断致力于固态电池的开发，TDK成功地实现了全球首款固态SMD（表面贴装器件）电池CeraCharge 的商业化。CeraCharge 是基于TDK 先进的积层陶瓷技术打造的( 图3)，具有适合量产的优势。

其固体陶瓷电解质消除了泄漏和着火的风险，同时具备其他实用特性，包括：1.5 V 的标称电压，100 μAh 的容量，-20~80 ˚C 的工作温度范围。此外，其SMD 型设计便于放置电池，从而有助于降低组装成本。由于具有尺寸小、安全性高和使用寿命长的优势，它很适合搭载在各种环境下使用的IoT 设备中。

图3 CeraCharge™固态电池的横截面（示意图）

3   运用于烹饪温度计

芯片大小的安全固态电池CeraCharge 正在逐步应用到各种IoT 产品中。其中一种应用就是2020 年12 月推出的烹饪温度计产品。这款新产品是1 个15 cm 的金属温度计探头（图4），由丹麦一家生产烹饪温度计系列产品的CookPerfect 公司出品，配备有5 个温度传感器，1 个BLE（蓝牙低能耗）通信模块以及TDK 的CeraCharge。只需插入此探头，即可通过智能手机实时监测烤箱内烤肉的内部温度。借助这一突破性的产品，人们能够在理想的温度下烹饪圣诞节烤肉等各种肉类。

CookPerfect 的联合创始人兼董事总经理Martin Kloster表示：“当我们在2016 年开始设计CookPerfect 时，根本没有哪一种电池技术可以支持在5 个点进行测量，运行复杂的算法，并且可以内置到相应装置中。但是借助CeraCharge，我们得以打造首个‘真正的无线’温度计。”Kloster 提到，可靠性和安全性非常重要，因为这些温度计将直接插入到食物中并用于高温烤箱和烤架。

“绝对不能有任何化学泄漏。我们还需要较高的工作温度范围，可以承受在烤箱内部使用。固态的CeraCharge没有泄漏的风险，其体积小到可以安装到3.7 mm 直径的装置中，并且可以承受高达85 ˚C 温度，这就是我们选择将它用在产品中的主要决定因素。”

图4 CookPerfect的无线肉类温度计

例如此类将温度传感器与通信功能结合在一起的烹饪温度计，随着配备各种传感器的设备的不断普及，一个全面的物联网社会即将来临。随着市场对各种尺寸和规格电池的需求不断增长，目前正在考虑将CeraCharge集成到各种设备中，包括用于智能仪表、可穿戴设备和智能传感器的实时时钟(RTC)。

作为全球率先将固态电池商业化的公司，TDK 将继续致力于扩大其产品系列，同时提高其微型化程度和容量，以覆盖更广泛的应用领域。CeraCharge 将一如既往地为快速扩张的物联网市场提供有力支持。从简单的小工具到规格复杂的设备，各种工业和消费类IoT 设备日益需要紧凑、安全且可靠的电源。为了满足这些需求，TDK 开发了全球首款可充电固态SMD电池CeraCharge（如图5）。

图5 CeraCharge™固态电池

（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2021年第1期。）