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电池基础知识:向环保转变

正在阅读这篇博客的您,家中很可能常备着大量 AA 电池以供数码相机和任天堂游戏机使用。又或许,您或您的父母曾经买过那种小型纽扣电池用于腕表。如今,电池依然随处可见:遥控玩具、烟雾探测器、笔记本电脑、平板电脑和智能手机,处处不乏电池的身影。为了响应安全处理之类趋势,市面上更是新增了不少新兴电池应用。连续血糖监测仪 (CGM) 贴片、包装运输所用的智能标签,以及支付卡上不断变化的安全 PIN 码显示,都是以安全处理为首要关注点的典型新兴电池应用。

一次电池对比二次电池

重提往事又展望未来,目的何在?如果您对那些往事有过亲身体验,或接触过上述新兴应用,那么肯定知道电池通常分为两类:一次电池和二次电池。一次电池是不可充电电池。老式数码相机使用的 AA 电池、您父亲手表使用的 CR2032 纽扣电池都属于一次电池。相比之下,智能手机使用的锂离子 (Li-ion) 电池则是可充电电池。可充电电池又称作二次电池。综上所述:

  • 一次电池:不可充电;例如碱性电池和锂电池
  • 二次电池:可充电;例如锂离子 (Li-ion) 电池、镍镉 (NiCd) 电池、镍氢 (NiMH) 电池等

这两类电池体积虽小,但电力强劲,不过在供电和环境方面仍各有缺陷。例如,相较于可充电的锂离子电池,作为一次电池的锂电池一度具有更高的能量密度,但是完全放电后需要丢弃 (Sciencing)。乍一看,可充电的二次电池或许更环保,但是经多次充电后,电池能效也会降低,依然需要丢弃。

一次性薄膜电池:可持续替代品

(图片来源:Molex

电池可分为各种不同的子类别和类型,但随着物联网 (IoT)、可穿戴设备和环境传感器市场的飞速发展,广博的电池世界中某个小角落却受到越来越多的关注,这便是柔性印刷薄膜电池 (IDTechEx)。为免赘述,本文将重点探讨通用类柔性印刷薄膜电池,即固态薄膜电池。通过这一命名,我们可以较深入地了解所讨论电池的类型。顾名思义,固态电池的内部结构为“固态”,而非凝胶或液态 (Qnovo)。薄膜电池采用纤薄的薄膜材料设计和制造。正因如此,薄膜电池才柔韧可弯曲,并且受到可穿戴感测应用市场的青睐。固态薄膜电池大多都能满足薄度和柔韧度方面的市场需求,但设计仍采用锂基化学品或其他化学物质,因而依然可能破坏环境。

若考虑到每年都有大量电池被丢弃,这些电池的广泛应用和毒性就成为较严重的问题。随着人们对笔记本电脑和智能手机等电子设备的需求量不断扩大,每年因此而产生的废弃物也相应增加 (Sciencing)。电池通常属于不可生物降解物质,如果随意丢弃,其中的有毒金属和化学物质可能会造成土壤污染。如今,许多国家/地区都颁布了废电池处理相关的法规并提供相应的回收计划。这些计划有助于电池中金属的回收再利用,也可遏制废电池处理对环境造成的负面影响。

由于设备连接物联网及其供能的需求日益增长,同时鉴于废电池处理相关法规的颁布,各制造商潜心探索,试图找到安全的可持续替代品以替换电池中的有害化学物质。Molex 的新型薄膜电池系列正是这类解决方案。与同类锂电池产品不同,该电池系列设计采用锌二氧化锰,最终用户丢弃处理时更为安全便捷。

各类电池比较:薄膜电池的优缺点

若要了解锌二氧化锰薄膜电池在何种应用中比同类锂电池产品等其他电池更能发挥作用,关键是要了解这类电池的优势与局限性。如下表所示,电池容量对比结果表明,对于容量要求较低并以安全便捷的丢弃处理为首要关注点的应用,Molex 的锌二氧化锰薄膜电池无疑最值得使用。

(图片来源:Molex)

此外,还有一些信息未在上表中显示,例如薄膜电池与 3 V 的 CR2032 纽扣电池的当前成本对比。在电子元器件分销商网站上快速搜索这类纽扣电池,结果显示零售价约为 1 美元,销售量以千计的批发价则不到 50 美分。相比之下,薄膜电池的售价大多仍达数美元。造成价格差异的原因可能在于,纽扣电池市场较为成熟以及全球市场上这类电池的销售总量较大。薄膜电池仍需要经历数年的发展,才能在制造成本低廉或需求量大等方面与纽扣电池分庭抗礼。

此外,需要指出的是,相较于其他锌二氧化锰薄膜电池,Molex 的 Zn-MnO2 电池性能更出色。如下图所示,尽管同样采用锌二氧化锰,但是 Molex 薄膜电池在容量和最大峰值电流方面均优于同类竞争产品。

(图片来源:Molex)

薄膜电池的应用

通过实际应用案例分析可知,薄膜电池对于注重纤薄、柔韧度、处理便捷性和封装小巧等特性的应用来说更为适用,因此薄膜电池市场有望持续增长。如前所述,薄膜电池在智能标签、易腐货物监控和环境传感器等物联网和工业应用方面势头强劲。一个有意思的用例是在超高频 (UHF) 智能温度标签中使用薄膜电池,该标签大小与信用卡相当,比标准打印纸稍厚。冷链物流管理将其用于药品、易腐食品和鲜花等温度敏感型产品 (Enfucell)。这些智能温度标签采用包括 RFID、智能温度检测技术和印刷薄膜电池在内的技术组合,在产品运输和储存过程中可以准确跟踪时间和温度 (Enfucell)。

此外,消费类、化妆品和医疗市场也都在积极试验薄膜电池的应用。电动眼罩应用是消费电子与化妆市场的跨界产品。该眼罩的微电流装置由柔性印刷电池、电极、胶带和覆盖片构成 (Enfucell)。将贴片放在皮肤上,即刻就会产生电流回路,化妆品则可通过眼罩的活性电极渗入皮肤 (Enfucell)。除此之外,薄膜电池的消费电子市场应用还有可穿戴电子、运动监测设备,其中包括一款低功耗蓝牙 (BLE) 传感器贴片,可附着在高尔夫球杆顶部侧面以测量加速度和角速度 (Enfucell)。一次性薄膜电池的医疗应用包括患者诊断、治疗和监护设备。

过去 200 年间,我们在新型电池开发和不同类型电池拓展的方面取得了长足的进步,以此才能满足全世界对常用设备和应用不断增长的供电需求。近期,制造商已然着手开发新一代的电池;要求制造这种新型电池的材料储量丰富、可持续,并且无论对于环境还是人类都必须安全可靠。柔性印刷薄膜电池结合锌二氧化镁等有机化学物质(此视频中重点介绍)和相关化学物质,正是新型环保电池的未来发展方向。工业应用、物联网、消费类和医疗等市场都已成功试验和制造出了薄膜电池供电的产品。虽然在提高电池容量和制造工艺方面仍有待继续发展,但是一个迫在眉睫的问题需要驱动开发人员尽快解决:薄膜电池的应用发展该驶向何方?

关于此作者

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Halie Henley 是 Molex 的产品管理专家,2016 年加入 Molex。她与其他产品经理一起开发和推广新产品,最近推广的产品包括互连产品、薄膜电池、资产跟踪和 RFID 解决方案。Halie 拥有创业管理和传播艺术学位,曾在不同的项目和产品管理职位上工作,擅长利用 Molex 的工程和制造资源解决客户反馈的问题。工作之余,她喜欢旅游、阅读和户外运动,包括抱石运动和足球。

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