用于可穿戴设备的固态电池技术介绍

预计可穿戴设备市场和物联网（IoT）运动在未来十年内将迅速扩大。这些应用领域对电子元件的主要技术要求是超低功耗，低成本，无线连接，在大多数情况下，超小尺寸。

能量收集已被确定为一种重要的供电技术可穿戴设备和无线传感器节点。同时，用于储能的电池被认为是大多数应用的必要条件。然而，今天的传统形状因素，包括纽扣电池，被视为严重的限制。薄度，灵活性和容量是关键因素。因此，薄膜/固态和印刷电池具有最大的潜力。本文将概述为可穿戴设备提供电池技术，电池寿命和可充电性的持续电源的挑战。然后，它将突出显示最新一代固态电池的优势，特别是它们的小尺寸，设计灵活性，以及通过收集的环境能量进行无线充电的能力。

将参考Cymbet公司的EnerChip系列产品具有集成实时时钟和电源管理功能的固态电池及其各自的评估套件。

图1：Cymbet的Enerchip CBC34813-M5C结合了固态可充电电池具有实时时钟和集成电源管理功能。容量为5μAh，输出电压为2.5 V.器件尺寸为5 x 5 mm。市场增长

虽然薄膜和固态电池已经存在了十年或更长时间，但新兴市场的增长包括可穿戴设备和物联网。产生重大的新兴趣。根据市场研究公司IDTechEx在其最近的报告“柔性，印刷和薄膜电池，2015年至2025年”，¹到2024年，该设备级市场将价值3亿美元。

该报告强调，包括可穿戴设备，物联网，RFID，消费电子产品和医疗设备在内的不同领域将需要不同形状因数，功率密度，寿命，当然还有价格点的电池。报告总结说，可穿戴应用在很大程度上需要高能源，如薄膜和柔性锂电池，预计将显示出最高的市场潜力。

据Cymbet公司的Steve Grady所说，刚刚发布白皮书，许多应用程序的限制是电源。 “将需要新的电源解决方案：小型，薄型，自充电且永不需要更换的电源解决方案。传统电池根本无法满足要求，“Grady说.2

可穿戴设备和物联网领域增长背后的主要驱动技术，即超低功耗处理器，传感器和RF/无线网络电路，都是他补充说：“电池寿命长 - 大多数可穿戴产品都采用了能够延长产品使用寿命的电源，因此可以随时使用，并集成到极小的封装中 - 仅为1mm³。有些设备可以通过能量收集技术单独供电。由射频或电磁波驱动的基于心跳的植入式心脏起搏器和基于超低功率传感器的节点被证明是可行的，以允许无电池设计。

某些应用需要非常少的功率和/或具有有限的寿命（例如一些医疗设备或RFID标签），单个不可充电电池可能足以维持产品的预期使用寿命。但是，在许多情况下，需要电池，通常无法取出充电，也不能连接充电线。无线充电正成为一种理想的选择。电池寿命已经成为许多智能移动设备最重要的方面，尽管专注于超低功耗电路，但它可以严重限制可以加入的功耗越来越大的特性和功能。对于可穿戴设备，外形与容量同样重要，理想情况下电池需要小而薄，并与电子电路共同封装。

Cymbet的白皮书概述了传统化学电池的许多缺点，包括锂离子和纽扣电池类型。这些包括火灾或爆炸的风险，特别是在暴露于高温和反复过度充电的情况下。

同时，全球范围内的研究很多，专注于提高电池容量，减小电池尺寸，使其灵活，重要的是，低成本。各种材料组合正在开发和试验中，包括陶瓷结合锂，锂硫，碳/石墨烯锂，皱巴巴的石墨烯纸，石墨烯基纸等等。

薄膜，固态和纸质柔性电池已经存在多年，但大多数往往是低容量和昂贵的。固态锂技术可以提供更高的容量，使其在某些应用中更有用，但却以牺牲尺寸为代价。请参见下面的图2，了解最近的介绍。

图2：意法半导体的EFL700A39薄薄的固态锂薄膜可充电电池容量为0.7 mAh工作电压范围为3至4.2 V.尺寸为25.7 x 25.7 mm。在4.2 V的恒定电压下充电时间是20分钟。

同时，IDTechEx已经观察到越来越多的努力开发更广泛的印刷元件，从用于标签的RF天线开始，但现在扩展到包括传感器，存储器和逻辑，以及存储设备，如电池和超级电容器。这引领了更加高度集成的小型化解决方案，更适合物联网节点和最终可穿戴应用。无锂电池 - 基于硅的固态设计的一个关键优势是它们可以廉价且可靠地制造经证实的半导体工艺。此外，它们可以作为独立设备封装，或者与其他电路一起以裸片形式集成。这是Cymbet采用EnerChip系列无锂固态电池芯片的路线。最小的裸片形式是CBC005，容量为5μA，尺寸仅为1.37 x 0.85 mm，厚度为175μm。它可以与公司的集成电源管理电路和/或超低功耗实时时钟一起打包。目前可用的电池容量为5μAh，12μAh和50μAh。该公司最新推出的产品之一是EnerChip RTC CBC34803-M5C，它结合了实时时钟和针对低功耗应用而优化的日历，集成可充电固态备用电池和所有电源管理功能。虽然主要用于提供低成本，小尺寸（5 x 5 x 1.4 mm）备用电源解决方案，但它说明了该技术的功能。输出电压为2.5 V，充电时间为80％仅需15分钟。每次充电可实现最多100小时的实时时钟备份，并且可以进行超过5，000次充电循环。

评估套件CBC-EVAL-12-34803可用，具有USB接口板，CBC-TAB-34803，插入PC。该套件允许设计人员探索具有I²C接口总线的低功耗实时时钟的功能，电源管理功能，如电源故障检测，电池充电和放电监控，以及可提供的固态电池本身对实时时钟的100小时备用电源。

图3：用于CBC-34803集成固态电池，实时时钟和电源管理电路的Cymbet评估套件可插入PC的USB端口。

Cymbet EnerChip电池技术的一个主要优势是无线充电，通常通过能量收集，近场（NFC）感应或RF充电实现。能量收集对于可穿戴设备是一种有用的技术，特别是使用运动，压电或热电技术。例如，健身监测小工具可以在使用时通过身体运动提供动力，但是在不使用时使用太阳能，RF或磁感应技术进行再充电。与皮肤接触的健康监测装置可以利用身体和周围空气之间的温度差异。收集的能量可用于直接为传感器和电路供电，和/或为电池充电。

可穿戴设备的关键设计因素是最大化能量存储设备的能量密度并最小化功耗。超低功耗，微型微处理器现已上市，包括Cymbet使用的Ambiq Micro，以及极低功耗的传感器和电源管理器件。功率效率的一个重要设计考虑因素是确保设计只是在适合应用的时间间隔内进行传感器测量，并且电路在两次之间恢复到低功耗睡眠模式。

Cymbet的白皮书提供一个有用且有趣的计算器，用于比较可充电或可更换的原电池（提供应用可以容纳大量电池）和采用能量收集技术的成本。细节处于细节之中，需要对制造，运营和总产品寿命成本进行一些分析，包括老化特性和报废处理程序等因素。最后，它概述了优化能量收集设计的一些技术。可穿戴技术和无线传感器节点，并提供了一些设计实例。

结论

随着可穿戴技术和物联网运动迅速扩展，电池尺寸和外形尺寸可以说是最重要的挑战。可以与传感器和电子电路集成的固态可充电电池可以提供解决方案。但是，在电池容量和尺寸方面总会有一个权衡。超低功耗电路，智能电源管理和能量收集可以为控制电源需求做出重大贡献。无锂解决方案提供了更加生态化的方法，而无线充电有助于将尺寸降至最低。