移動、可穿戴、手持是電子行業(yè)逐漸步入萬物互聯(lián)、人工智能時代的關(guān)鍵詞，支持這種改變便是蓄電技術(shù)。

然而，產(chǎn)品功能與日俱增，對蓄電裝置的輸出能力和蓄電能力要求越來越高。另外，產(chǎn)品壽命要求變高，很多產(chǎn)品甚至要在生命周期內(nèi)無需更換電池。

因此，新的需求催生了蓄電裝置的轉(zhuǎn)變。尼吉康在此背景之下，開發(fā)了一種新型的小型鋰離子可充電電池，并在CEATEC2020上展示了這項技術(shù)的進(jìn)度和成果。

兼顧高功率密度和高能量密度

目前來說，重要使用的蓄電裝置重要分為EDLC（電器雙層電容器）、蓄電池、鎳氫電池、鋰離子可充電電池。其中，大部分與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能相關(guān)移動應(yīng)用多采用EDLC和鋰離子電池方法。

尼吉康展示了一張Ragoneplot（功率密度與對應(yīng)能量密度的對數(shù)關(guān)系圖），比較不同裝置蓄電裝置的功率密度和能量密度。

功率密度采用循環(huán)伏安法（CV）進(jìn)行測量，公式為E=0.5CV2/23.6Wh/kg

能量密度采用恒流充放電（GCD）進(jìn)行測量，公式為p=3600E/tW/kg。

式中C（F/g）為整個電容的比電容，計算時需計算兩個電極的質(zhì)量，即C=1/2πfZ''；V（V）為窗口電壓；t(s)為放電時間。

通過公式可以看出，功率密度重要取決于電極材料自身容量和窗口電壓，通過改性或新材料可提高電極材料的電容性能，能量密度則取決于電池的放電時間。

經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)，蓄電池和鎳氫電池明顯不滿足大功率輸出需求。EDLC雖然擁有很好的功率密度，即很好的充放電流，但放電時間很短，最終導(dǎo)致容量不足；鋰離子可充電電池?fù)碛泻芎玫哪芰棵芏龋粗β拭芏容^小，不能滿足大容量需求。

擁有高功率密度和高能量密度，意味著能在保持續(xù)航前提下，擁有瞬時大功率。正是因為基于對市場的洞察，尼吉康才研發(fā)了兼顧兩個性能的小型鋰離子可充電電池SLB系列。

通過比較EDLC與鋰電子電池數(shù)據(jù)參數(shù)，尼吉康所研發(fā)的小型鋰電子可充電電池在能量密度上可達(dá)40Wh/kg，優(yōu)于EDLC；在功率密度上達(dá)到3kW/kg，可在-30~60℃下使用，周期壽命超過25,000回，并且不會因熱失控著火，全面優(yōu)于鋰離子電池。

負(fù)極材料變?yōu)長TO，結(jié)構(gòu)優(yōu)化為圓筒狀

為何尼吉康的小型鋰離子可充電電池?fù)碛腥绱说摹澳ЯΑ保軌蚣骖檭煞N性能？根據(jù)尼吉康的介紹，這重要歸功于基本技術(shù)采用了東芝（TOSHIBA）可充電電池SCiB技術(shù)，開發(fā)產(chǎn)品的負(fù)極采用了鈦酸鋰（Li4Ti5O12，Lithiumtitanateoxide，LTO）。

除此之外，尼吉康還在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化。普通的鋰離子可充電電池的結(jié)構(gòu)一般采用圓筒形、方形和鈕扣形。尼吉康開發(fā)的小型鋰離子可充電電池采用了圓筒形狀，幾乎與尼吉康電氣雙層電容器的基本結(jié)構(gòu)一致，由正極、負(fù)極、隔膜、電解液以及外殼材料構(gòu)成。

傳統(tǒng)的鋰離子電池?zé)o論正極采用的是磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、鎳酸還是鎳鈷錳三元材料，其負(fù)極都是采用的石墨。碳材料作為鋰離子電池的負(fù)極，不僅容量較低，還有可能在碳電極表面析出金屬鋰，與電解液反應(yīng)出現(xiàn)可燃?xì)怏w混合物，存在安全隱患。

LTO則反之，這種材料的重要特點就是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很好，可以適用于長壽命、快充等領(lǐng)域。這是因為LTO從材料結(jié)構(gòu)上來講，屬于面心立方尖晶石結(jié)構(gòu)，尖晶石結(jié)構(gòu)對鋰離子有一定的容納空間，一般1個鈦酸鋰能容納3個鋰離子。

因此，在充放電之時，鋰離子嵌入和脫嵌對LTO材料結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響，LTO的晶型結(jié)構(gòu)幾乎無變化，也就是所謂的“零應(yīng)變材料”。

這種“零應(yīng)變”特性能夠防止充放電過程中，由于材料伸縮變化而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而提高電極的性能和減少比容量的大幅度衰減，延長了鋰離子電池的使用壽命。通過比較石墨負(fù)極材料，LTO的嵌鋰電位更高，能夠有效防止金屬鋰析出和鋰枝晶的形成。

除此之外，LTO還擁有很強(qiáng)的溫度很高的熱穩(wěn)定性，不自燃且與電解液的反應(yīng)性低的材料，所以LTO在熱穩(wěn)定表現(xiàn)上優(yōu)于以往鋰離子電池采用的碳素材料。

而在內(nèi)部短路電流方面，LTO表面由于相變化阻抗變高，只有微量電流通過，因此不會在短路時高溫發(fā)燙；另外，使用LTO的產(chǎn)品在高速充電、低溫、長期循環(huán)時也不會達(dá)到Li析出電壓。

通過比較以往采用碳素材料（石墨）的產(chǎn)品，在進(jìn)行高速充電時，普通鋰離子電池放電電壓基本上會達(dá)到0V以下，這種情況下便達(dá)到了Li金屬析出電壓。

LTO與鋰離子電池負(fù)極中常用的石墨材料相比，電位比較高，達(dá)到1.5V(vs.Li/Li+)，安全性相對較好，但是，這也會導(dǎo)致LTO在全電池的額定相對偏低，只有2.3-2.5V左右。額定電壓由正極的電壓與負(fù)極的電壓之差決定，鋰離子可充電電池約為3.8伏，而SLB系列則為2.4伏。

不斷擴(kuò)充的SLB系列

那么，LTO材料最終顯現(xiàn)在尼吉康的小型鋰離子可充電電池的具體效果是怎么樣的？根據(jù)尼吉康介紹，小型鋰離子可充電電池?fù)碛?個特性：

1、長壽命：一般來說普通產(chǎn)品只能充放電2,000Cycle（回/循環(huán)壽命）。在此方面，通過對Φ12.5x40L_150mAh產(chǎn)品試驗結(jié)果顯示，在充放電25,000Cycle后依然能維持80%以上的容量。

2、急速充放電：在20C大電流充放電的情況下，SLB可實現(xiàn)3分鐘內(nèi)全容量80%的超急速充電，和3分鐘內(nèi)實現(xiàn)超過全容量90%的超急速放電。

3、低溫特性：一般來說，普通的鋰電子可充電電池在0℃環(huán)境下就很難充電了。通過測試顯示，SLB在-30℃的寒冷地區(qū)雖然性能會稍稍下降，但仍然可以使用。

4、安全性：上文也介紹了LTO這種材料的安全性，所以在壓壞、釘扎、BlutNail試驗、外短、過充電、強(qiáng)制放電等強(qiáng)制使內(nèi)部短路時，幾乎不會發(fā)生破裂或著火的可能，十分安全。

從產(chǎn)品上來講，目前SLB系列最小尺寸為φ3×7L已經(jīng)量產(chǎn)，Φ8×11.5L和φ12.5×40L的量產(chǎn)在2020年十二月以后。

SLB系列的額定電壓為2.4伏（該額定電壓是標(biāo)稱電壓，即可用電壓范圍的平均值），可在-30°C至60°C的溫度范圍使用。最大充電電壓為2.8伏，放電終止電壓為1.8伏。由此可以看出它與EDLC的2.7伏電壓為同等級，所以可以與EDLC進(jìn)行替換使用。但是，由于SLB系列不能像EDLC那樣放電至0伏，所以必須保證產(chǎn)品電壓高于1.8伏。

在認(rèn)證方面，SLB系列目前取得了CB、UL、BSMI、VNTA等國際安全認(rèn)證。目前產(chǎn)品生產(chǎn)在尼吉康大野株式會社第二廠（已經(jīng)取得ISO9001、IATF16949、ISO14001認(rèn)證）。

擁有廣泛的使用場景

這款小型鋰離子可充電電池目標(biāo)市場非常廣泛，具體包括電子筆、無線耳機(jī)、行車記錄儀、車載用輔助電源（動力轉(zhuǎn)向、門鎖解除、緊急呼叫、ADAS等）、充電式玩具、電動工具、電子香煙、IoT設(shè)備（定點觀測、狀態(tài)監(jiān)視）、穿戴式終端、智能電表、內(nèi)存?zhèn)浞荩译姟⒐I(yè)機(jī)器等）、筆記本電腦（CMOS備份）、遙控器等。

近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們的生活有了很大的改變。利用AI分析從各種各樣的“物品”上搭載的各類傳感器收集來的大數(shù)據(jù)，然后高效地推動事物，出現(xiàn)異常時發(fā)出通知等，逐漸成為生活中不可或缺的存在。利用傳感器的感測要電源，市場要求全新的蓄電裝置。

其中較為典型的用例便是尼吉康與理光微電子（RICOH）合作的環(huán)境傳感器。這一機(jī)制是利用理光微電子的能量收集用低電流降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，對光伏板發(fā)電的電氣進(jìn)行降壓后，在小型鋰離子可充電電池中蓄電。

利用低電流升降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器對蓄電電能進(jìn)行降壓后，向可以檢測溫度、濕度、氣壓、照度的傳感器供電和驅(qū)動無線模塊，然后通過藍(lán)牙功能將感測到的信息發(fā)送出去并且收集數(shù)據(jù)。此外，還將搭載可以監(jiān)控電池電壓的IC，就能很容易獲知剩余的電池電量。

該環(huán)境傳感器中搭載了尼吉康的“SLB系列”小型鋰離子可充電電池0.35mAh（φ3×7Lmm），與光伏發(fā)電搭配后，實現(xiàn)了免維護(hù)。“SLB系列”最適合的理由是，可以實現(xiàn)低電流充電和大電流放電，循環(huán)特性卓越，并且是長壽命。

有關(guān)低電流充電，相比普通的鋰離子可充電電池，由于其內(nèi)部電阻小，因此低電流也能進(jìn)行充電。由于多數(shù)情況下能量收集器的發(fā)電電流小，因此能夠用低電流進(jìn)行充電，這一點相比其他電池有優(yōu)勢。

有關(guān)大電流放電，由于其內(nèi)部電阻小，因此可以瞬間進(jìn)行放電。在物聯(lián)網(wǎng)的世界里，可以通過各種通信方式收集數(shù)據(jù)，但所需電力取決于信息量和距離，耗電量越大，越要大電流。

普通的鋰離子可充電電池想要用大電流進(jìn)行放電，只能新增產(chǎn)品容量，產(chǎn)品尺寸也會變大。“SLB系列”可以實現(xiàn)小型而大電流，尺寸也無需變大。有關(guān)循環(huán)特性，相比普通的鋰離子可充電電池，可以實現(xiàn)10倍以上的充放電，而且可以做到免維護(hù)。

還有一個典型的用例就是三星Note10的Spen。此前，三星在電容方面采用的是其他公司生產(chǎn)的EDLC，而Note10系列大放光彩的Spen，搭載的則是由尼吉康生產(chǎn)的小型鋰離子可充電電池SLB，這款鋰離子電池不僅電量耐用，充電急速，在壽命、低溫性、安全性方面也擁有最佳性能。

利用SLBφ3×7L新型智能手機(jī)“GalaxyNote10和Note10+”的Ｓ筆特有的遠(yuǎn)程操作功能進(jìn)一步得到升級，可用低功耗Bluetooth(ＢＬＥ)識別Ｓ筆的動作，并且遠(yuǎn)程控制智能手機(jī)。為實現(xiàn)升級版的Ｓ筆功能，三星電子公司采用了尼吉康的小型鋰離子可充電電池，可使用時間也新增到了約10小時。此外，相比普通的鋰離子可充電電池，尼吉康的鋰離子可充電電池在高輸出入的情況下可實現(xiàn)約10倍電流的充放電，而且冒火冒煙的危險性極低，具有卓越的安全性。

除此之外，這款產(chǎn)品還與ROHM株式會社供應(yīng)的充電控制IC搭配可以實現(xiàn)超快速充電；與特瑞仕半導(dǎo)體株式會社（TOREX）的超小型外殼中封裝的LDO低壓差線性穩(wěn)壓器和線路開關(guān)搭配，可以向Φ3x7L的超小型鋰離子可充電電池做節(jié)省空間的CCCV充電（穩(wěn)流穩(wěn)壓充電）；與ADI公司的線性充電器和降壓/升壓調(diào)節(jié)器搭配，驅(qū)動各種設(shè)備。

用例非常多，可以說只要使用的到急速充放電和大容量電池的場景下，這款產(chǎn)品都能發(fā)揮出功效。

通過尼吉康的布局來看，目前小型鋰離子可充電電池SLB系列已逐漸從Φ3x7L的超小型，逐漸擴(kuò)展到Φ8×11.5L和φ12.5×40L的尺寸，新產(chǎn)品充放電電流更大，容量更大，更多應(yīng)用可能性被提出。