“充电几分钟,续航翻几番”的小型锂离子二次电池是如何炼成的?

2018-07-10 09:30:07 来源:EEFOCUS
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不管是智能手机,还是儿童玩具,以及各种小型的物联网设备,最让用户头疼的就电池续航。手机没电了还可以用移动电源一边充电一边使用;但是玩具如果没电了,小朋友一般不会有耐心等待充电,大哭大闹会给家长造成巨大的心理阴影;像运动手环这样的物联网设备如果在使用时没电了,也会让用户十分崩溃。为了解决续航问题,我们看到大多数解决方案都在提倡降低能耗,而对增加电池容量却显得无能为力。


最近在尼吉康的新品发布会上,笔者看到了一个令人惊喜的演示,尼吉康带来的小型锂离子二次电池和EDLC,在电压相同的情况下,前者续航能力增加了几倍。
 


左侧:小型锂离子二次电池驱动
右侧:EDLC


如上图所示,左右两个电机驱动系统,分别可以驱动左右两个风扇转动,风扇转动的力量可以托起小球,让其飘在上面。

 



如上图所示,大约几十秒后,右侧EDLC的系统中电量已经耗尽,小球已经落下,左侧的系统还在转动,大约又持续了数分钟。由此可见,小型锂离子二次电池存储的电量比右侧EDLC有了大幅提高。


可能大多数用户更好奇的是,这款小型锂离子二次电池如何做到了这样的续航能力?带着问题,与非网记者采访了尼吉康电子贸易(上海)有限公司董事兼副总经理毛继东先生。他介绍,“如下图所示,电池对能量密度要求比较高,小型锂离子二次电池处于功率密度和能量密度的交差点(图中的红色部分),它的能量密度没有锂电池的能量密度高,接近镍氢电池,但是它的功率密度接近EDLC(电气二重层),能够以大功率进行快速充放电。”
 


各种蓄电装置的差异



从上图的对比中可以看出,小型锂离子二次电池的能量密度优于EDLC,功率密度、温度范围和Cycle寿命、安全性都优于电池。


SCiB技术让产品实现长寿命和急速充放电
 



对于充电电池,寿命、急速充放电是其重要指标。一般充电电池充放电2千到3千次之后容量便会降至80%以下,但是尼吉康的这款产品充放电次数达到18000次后依然能维持80%以上的容量,适合用于一天中需要多次进行充放电循环的机器;极速充放电具有和EDLC同等的出入力密度。毛继东解释,“这是因为我们采用了SCiB技术,需要紧急充电时,在20C充电的条件下,可以实现3分钟内充满80%的超急速充电;需要用于大功率应用时,20C放电的条件下,可以在3分钟内完成全容量放。相对于一般锂离子二次电池,-20℃下容量降至50%以下而言,该产品在-30℃的低温下依然维持50%的容量。”

短路不燃烧,高安全性让客户更放心
如果锂电池受到严重挤压变形,或者针刺,内部会造成能量短路,发生燃烧。然而,经过压坏、针刺、Bluntnail 试验,外短,过充电,过放电等一系列实验,这款小型锂离子二次电池都没有发生着火破坏现象,可见安全性很高,这对于医疗电源、汽车电源至关重要。这样的安全性如何实现实现的?毛继东道出了其关键技术点,那就是尼吉康通过使用特殊负极材料(LTO)实现高安全性。
 


小型锂离子二次电池和锂电池的对比


Li金属析出与短路现象



如上图对比所示,锂电池采用的负极材料是碳素材料,小型锂离子二次电池采用的是LTO,LTO是一种阻燃产品,内部的短路电流很小,而锂离子电池的内部短路电流很大。锂电池充电时,随着充电、放电特别负极上快速的充放电,放电时低于安全电压,锂金属会被析出,当负极碰到了正极就发生了短路,锂电池就坏了。但是小型锂离子二次电池负极上采用的是LTO,充放电时不会达到Li析出的电压,所以不存在衰减。

长寿命、高安全性、急速充放电,这几个特征使得该产品可以在物联网设备、可穿戴设备、智能电表、笔记本电脑和遥控器等上面发挥更大的作用。

没有停止电容器研发的脚步,再推混合铝电解电容
尼吉康是一家专注于电容器研发的公司,而且随着市场的需求变大,这几年营收在持续增长,那么传统的电容器是不是就不用再创新了?答案是否定的,除了以上的小型锂离子二次电池,尼吉康在电容器产品上并没有停下研发的脚步,而是持续进步。本次发布会就带来了混合铝电解电容器,毛继东解释,“这款产品既不是铝电解电容,也不是高分子电容,而是两个产品的结合,我们称为混合铝电解电容器,它既有铝电解电容器的特性,也有高分子电容器的优势,在高频领域的ESR性能优异,对于温度变化具有稳定的ESR性能。因为内部含有电解液,具有氧化膜修复功能,能维持稳定的电器性能。”

这款产品分为两个系列:GYA、GYB系列,其中GYA系列的耐久性是125℃,4000小时,GYB系列的耐久性是105℃,10000小时。两者的应用有哪些不同?毛继东以汽车应用为例,在发动机舱里面,因为有水箱、油泵、发动机、内燃机,耐久性需要达到125℃,需要选用GYA系列;在乘坐舱里面,车身控制的单元耐久性只要105 ℃,选用GYB系列即可。在相同容许纹波电流的情况下(以1600mArms为例),一个混合电容器可以替代原来6个铝电解电容的应用,最大可以消减85%的物料面积,电容器数量减少,电路板设计的故障风险随之下降,在提倡小型化的汽车应用中很有优势。

除了混合电容器,尼吉康还推出了电气双层电容器,具有低抵抗高输出功率的优势;车载音响用芯片型铝电解电容,可以实现高音质化;大型铝电解电容器,通过采用新规电解质实现了105 800V高耐电压电解液的开发;引线型铝电解电容器,具有业界最高40G的耐振动性等多种电容器。

在线技术支援工具,让工程师的设计更简单
工程师在进行设计的时候,往往需要通过模拟工具预先衡量自己的设计是否达到设定的性能指标?成本是否在预算之内?设计需要多长时间?因此,尼吉康推出了三款在线技术支援工具,其中3DCAD模型可以进行构造设计、放热散热预测和振动应力解析,已经应用于机械设计、建筑设计、机电行业和汽车领域;SPICE模型,帮助用户设计电路,选定电子部件,进行故障分析;电容寿命计算器,当用户输入适用时的周边温度和纹波电流,便可以计算出电容器推测寿命,从而避免设计不合理带来的成本浪费。

毛继东强调,“3DCAD的模型与其他产品的不同之处是,真正的物体不是90度直角,存在一个物理角度,我们做得更加逼真,这样可以更加逼真地反映出热效的扩散或转移,我们对贴片、插件、牛角、螺栓都做了解析。”

另外,通过和客户接触,尼吉康发现现在的年轻工程师比较关注主动元器件和热门被动元器件,关于非热门元器件会提出一些比较基础的问题,由于这种原因,会造成设计上的漏洞,公司采购部门和设计部门也会沟通不畅,增加沟通成本。因此,尼吉康拍摄了六集关于电容器的小视频,帮助工程师夯实基础知识。视频内容非常通俗易懂,目前已经翻译成了中文,放在了国内的网站上。

写完这篇文章,笔者比较感慨,最近流行一句话,叫做“世界上最可怕的事情是比你优秀的人比你还努力”,这同样适用于企业之间,世界上最优秀的企业还在不断创新,不断精进,成立68年以来,尼吉康不管在技术上还是在产品上,都在努力引领行业,而且对于成熟的产品也保持了创新的步伐,这两点值得我们认真学习。

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郭云云
郭云云

与非网北京站编辑,网名:咖啡不解困。混迹在电子社区,混迹在电子产业圈,虽不如工程师懂技术但也算半个电子人,喜欢听别人讲故事,喜欢思考电子圈的是是非非,更喜欢发表自己的“正理邪说”,时刻保持对所见所得的思考。

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