TDK电子

CeraCharge

2018年10月30日

适用于物联网的可充电的固态SMD电池

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从简单的小装置到用于工业物联网的复杂装置,都需要紧凑、可靠和非常安全的电源。为满足这些要求,TDK 集团开发了全新技术的全球首个可充电的固态 SMD 电池CeraCharge™。

今天缤纷多彩的生活离不开技术各异且具有不同容量的电池。未来,物联网的发展将需要无数的特殊电源以满足新的超低功率半导体和传感器的需求。这些设备必须在无外部电源的状况下通过能量收集技术正常工作数年。这对于能量存储介质提出了新的要求:尺寸小,可充电,本质安全,易于装配,低成本且工作寿命长。当前技术尚不能同时满足所有这些要求。对于许多应用而言,TDK 集团的 CeraCharge 电池提供了一种摆脱当前困境的解决方案。与大部分常见技术不同,CeraCharge 采用固体电解质替代传统的电解液,通过锂离子在固体中的移动实现充放电。CeraCharge 是一种基于叠层技术的电池,类似于 MLCC,如图所示。

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图 1:

CeraCharge的剖面图。采用固态陶瓷电解质替代液态电解质。

通过这种技术,高能量密度和最小的元件体积与陶瓷多层元件的安全性及高容量制造优点被结合在一起。此外,采用固态陶瓷电解质还消除了火灾、爆炸或液态电解质泄漏的风险。

SMT兼容设计让产品的使用非常简单

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CeraCharge 是全球首个 SMT 兼容的可充电电池元件,具有易于布置元件和支持传统回流焊工艺等优势,从而降低了使用 CeraCharge 电池的设备的生产成本。在初始阶段,CeraCharge 可提供 EIA 1812封装规格 (4.5 mm x 3.2 mm x 1.1 mm)。在 1.4 V 额定电压下,可提供 100 µAh 的容量。CeraCharge 的主要技术数据如表1所示。

表格EIA 1812 封装的 CeraCharge 可充电固态SMD 电池的主要技术数据
额定电压[V]1.4
工作电压[V]0 至 1.6
额定容量[µAh]100
额定放电电流 [µA]20
工作温度[°C]-20 至 +80


CeraCharge 的典型放电特性如图2所示,其额定放电电流为 20μA,但能支持 1 mA (10 C)  的持续放电。

相比于传统可充电或其他类型电池,CeraCharge 的工作温度范围更宽,达 -20° 至 +80°C,因此非常适合气象站等户外应用。以 20μA 恒定电流放电的典型温度特性如图 3 所示。

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图 2:

 CeraCharge的典型放电特性

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图 3:

CeraCharge的典型温度特性

根据要求,CeraCharge 的充放电循环可完成数十次至上千次,且不会对电气参数产生任何重大损耗(电气参数可达到初始值的 80%)。图4显示了 CeraCharge 在 1.6V 恒定电压下充电 3 小时并以 20μA 恒定电流放电的典型循环次数特性。

对于短时或脉冲工作,如在蓝牙信号模块传输数据时为其供电,一个 CeraCharge 电池可提供幅值约 3 mA/s 的电流(图5)。

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图 4:

CeraCharge的典型循环特性

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图 5:

CeraCharge的典型脉冲功率

潜在应用极其广泛

为提高电池容量和电压,用户可将多个 CeraCharge 电池串并联使用。这个特点使其广泛适用于各种应用,例作为实时时钟 (RTC) 的备用电池或用作蓝牙信号传输的能量存储装置。

在大部分情况下,实时时钟 (RTC) 一般采用原生电池(纽扣电池)供电。这种传统解决方案的主要缺点是用户必须定期更换电池。由于 RTC 中存在 VSB(向电池供电)功能,所以用CeraCharge 之类的可充电电池替换 RTC 模块的原生电池可解决这个问题(图6)。RTC 每次需要备用电池供电的时间一般小于1小时,而一个 CeraCharge 无需充电就能为 RTC 提供 1 至 5 周的备用电源。

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图 6:

CeraCharge可替代常用作实时时钟 (RTC) 备用电池的原生纽扣电池

太阳能供电的信号传输技术与 CeraCharge 的结合

物联网 (IoT) 的前提是能将各种装置和设备与互联网连接。太阳能供电的蓝牙低功耗 (BLE) 信号传输技术因超小空间要求和低功耗而逐渐为诸多用户接受,成为一种广受欢迎的连接解决方案。图 7 显示了太阳能供电的 BLE 信号传输技术的驱动模型。在此电路中,太阳能电池首先为电容器(MLCC 或 EDLC)充电,为 BLE 模块提供主电源。CeraCharge 用于存储能量,当太阳能电池无法供电时,CeraCharge 可对电容器充电。在电容器充满电后,利用剩余能量对 CeraCharge 充电,并在电容器没电时向电容器放电。这能保证太阳能供电的信号传输装置连续不断地工作。电路中所需的 CeraCharge 并联数量取决于在无太阳能电池供电时 BLE 模块所需的最大供电要求。

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图 7:

CeraCharge可用作次级电源,存储的能量可以为作为BLE模块主电源的电容器充电

为覆盖更宽广的应用,TDK 除了提供当前 EIA 1812 规格的 SMD 型产品外,还将开发 EIA 0603 或 2020  等其他规格和容量的 CeraCharge 电池。这些应用包括用作能量收集的能量存储装置,通常配合电容器使用;或用作可穿戴设备中的子电池,在发生短时高电流/电压需求时,可平滑电流与电压。