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元宇宙要火，但可不能“起火”哦！--了解一下村田半固态凝胶软包电池

judy — Thu, 31 Mar 2022 01:43:16 +0000

大家还记得

微软重金收购动视暴雪的新闻吧

687亿美元

“全现金”收购

让我们再次感受到了微软的“壕”气

图片来源：微软

巨额收购的背后，是微软全力进军元宇宙生态的强烈愿景，并且将本就在风口浪尖上的“元宇宙”推向了更高的境界。

元宇宙的“入口”——VR眼镜

在先进的显示/音频/动态感知技术的加持下，玩家们使用VR产品时可以更加地沉浸于“元宇宙”世界中，获得更美妙的游玩体验。

但是这也带来了一些问题：

当玩家的视觉/听觉等知觉都沉浸于虚拟世界时，毫无疑问会大幅降低对周遭环境变化的感知和反应能力。因此在使用包括VR眼镜等虚拟现实设备时，需要确保使用过程中的安全性，其中最基础的是【设备本身需要提高其安全性】。特别是VR设备作为头戴设备，一旦VR设备出现危害人体安全的事故，会直接威胁到人体的重要器官如眼睛和耳朵，甚至有可能影响到脑部。

在各家VR产品厂家的设计方案中，大多数VR眼镜多是内置锂电池的无线设备。而锂电池恰恰是VR设备自身安全性的最大短板。

锂电池是VR设备自身安全性的最大短板

为什么锂电池会自燃起火？

我们在中学阶段的化学课上有学过“燃烧三要素的概念”：

当“助燃剂”，“高温”和“可燃物”这三者齐聚一堂时，“可燃物”就会发生燃烧的现象。

接下来我们来看看锂电池是如何“自带”这三种要素的：

1. 可燃物
除去电池的外壳（钢壳或者铝塑膜），电池内部主要有正极材料（涂敷在铝箔上），负极材料（涂敷在铜箔上），隔膜和电解液组成。隔膜夹在正极和负极之间组成三明治结构，再将“三明治”或卷绕或叠层出我们熟悉的圆柱或者方型电池的形状，最后再将电解液注入其中，即完成了电池的基本组装。

而其中，电解液的主体部分是有机溶剂，是可燃物质，常用的溶剂有碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯脂(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)等。这些物质的燃点普遍较低，碳酸二甲酯(DMC)大约在180度，而碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲乙酯(EMC)的燃点只有100度左右。

2. 高温
锂电池的工作过程可以简单理解为锂离子在正极和负极材料之间的“反复横跳”。

放电的时候，锂离子从负极材料中脱嵌，通过隔膜的微孔，嵌入正极材料中。充电的时候则相反，锂离子从正极材料中脱嵌后再嵌入负极材料。

但是正负极材料吸收锂离子的能力是有极限的，过大的量或者过快的速度等，当超过材料的极限吸纳能力后（或者低温等弱化了材料的吸纳能力），锂离子就会在材料表面大量堆积且自我结晶化，长出如树枝一般的锂枝晶。而这种锂枝晶不断生长后会刺穿隔膜，最终接触到另一端电极从而造成内短路释放大量热量，产生高温。

3. 助燃剂（氧气）

目前主流的锂电池正极材料里，绝大多数都是金属氧化物材料，例如三元镍钴锰LiNixCoyMn1-x-yO2或钴酸锂LiCoO2。其优点是可以吸纳更多锂离子，释放更多电能，但缺点是不耐高温。高温下这些正极材料会分解，氧原子会从原先的化学结构后脱出，之后在电池密闭的空间内结合生成氧气，即析氧。

所以你看，锂电池几乎是自带燃烧三要素。

首先是电池过度使用或者材料衰减后，材料表面开始形成锂枝晶。锂枝晶生长到刺穿隔膜后导致正负极内短路，产生高温。高温下正极材料开始析出氧气。这样“短路造成的高温”+“正极产生的氧气”+“低燃点的电解液有机溶剂”=锂电池自燃。

我们再从自燃的结果去倒推自燃发生的原因：

1. 自燃的发生需要集齐燃烧三要素。

2. 三要素中，氧气也是由高温引发的。

3. 高温的主要来源是电池内短路。

4. 内短路的主要来源是锂枝晶。

所以，如果我们可以有效地抑制锂枝晶的话，就可以从根源上避免锂电池自燃。

找到锂电池的安全病根，对症下药！
——村田电池的半固体凝胶电解质技术

锂枝晶之所以可以生长并刺穿隔膜，主要问题还是在于电解液是“液体“，锂枝晶可以在”柔软“的液体环境中自由生长。

那么如果不用液体呢？村田电池的工程师们从这个视角，开发出了基于半固体凝胶电解质的凝胶锂电池。

半固体的凝胶电解质为锂电池带了多项好处：

1. 锂离子在半固体凝胶电解质环境中，很难有效地形成树杈状锂枝晶。

2. 村田电池的半固体凝胶电解质本身具有较强的缓震能力，可以吸收电池在使用过程中受到的震动。并且半固体也赋予了凝胶电解质较强的机械强度，当电池受到外力冲击时，可以有效保护电池内部的电极/隔膜的三明治结构，提高电池的耐用性和抗冲击能力。例如常见的手机跌落问题，村田凝胶软包电池可以承受上百次的手机跌落测试，是传统液系软包的数倍。（仅供参考）

3. 锂电池的电解液漏液问题是个老大难问题了。而村田电池的半固态凝胶电解质的半固态特质使得这个电解液问题也解决了。

4. 村田电池的半固态凝胶电解质的燃点也比传统液系电解液要高，当电池被外部的尖锐物刺穿而引发短路高温时，高燃点的半固态电解质也较难被引燃，有效降低了起火风险。

目前村田凝胶软包电池已经应用在主流品牌的游戏外设及VR设备中，让广大玩家可以更安心更放心地畅游于游戏世界和元宇宙中。村田电池也会继续为社会提供更高效更安全的电池解决方案。

村田电池产品阵容及应用

村田电池还有其他多种高品质高性能的产品可供客户选择，如果您也对村田电池感兴趣，您可以联系我们，或者联系您所在区域的村田销售，欢迎前来咨询洽谈~！

文章来源： Murata村田中国

ATL领跑智能手机电池市场

judy — Tue, 29 Mar 2022 03:43:37 +0000

Strategy Analytics手机元件技术服务近期发布的研究报告《2021年Q4智能手机电池市场份额：TDK旗下的ATL占据榜首》指出，全球智能手机电池市场在2021年实现了87亿美元的总收益。

Strategy Analytics指出，2021年智能手机电池市场收益同比增长了超过10%。在厂商市场份额方面，Amperex Technology （ATL）以42%的市场份额位居第一，LG Energy Solutions和三星SDI紧随其后。2021年的全球智能手机电池市场上，排名前三的厂商占据了近82%的收益份额。

Strategy Analytics高级分析师Jeffrey Mathews评论道：“智能手机电池市场对中高端设备的大容量电池的需求持续增长。受快速充电应用的推动，双电池渗透率超过5%。我们注意到，锂等主要电池材料的价格上涨，导致智能手机电池成本上升。此外，由于供应不足，智能手机产量减少，电池出货量的增长也受到了影响。”

Strategy Analytics战略技术实践副总裁Stephen Entwistle评论道：“智能手机将会越来越多的采用高容量电池。我们预计，元器件成本飙升带来的挑战将继续影响供应商的电池供应链。”

压电能量收集器有望成为电池的替代品

judy — Mon, 24 Jan 2022 03:07:55 +0000

作者：麦姆斯咨询殷飞，来源： MEMS微信公众号

压电能量发生器的基本输入输出原理（来源：Arveni）

标准电池的问题

据麦姆斯咨询介绍，传感器功耗和尺寸的大幅降低引起了对可用于补充或替代电池的电源广泛研究。由于电池在使用前必须充电，因此人们一直不赞成使用电池。同样，分布式网络传感器和数据收集组件需要集中式能源才能运行。在少数应用中，电池充电或更换可能很昂贵甚至不可行，例如用于偏远地区结构健康监测的传感器或局部地区的湿度或温度传感器。在大规模传感器网络以及危险、广阔的安装地形中，更换电池可能是一个耗时且昂贵的工程。大都市中的嵌入式传感器网络就是一个例子。

替代选择

理性地说，在这些情况下，重点是建造能够将现场可用的任何能源转换为电能的现场发电机。最近，低功耗超大规模集成电路领域的发展，推动了以纳瓦到微瓦功率运行的超低功耗集成电路的创建。这种规模化发展为芯片级能量收集技术铺平了道路，消除了对化学电池或微传感器复杂布线的需求，为无电池的自供能传感器和网络设备开发奠定了基础。

标准电池的替代方法是利用电路周围区域的剩余能源。剩余能源由工业机械、人类活动、汽车、建筑和环境资源产生，所有这些都可用于收集少量能量，而不影响能源本身。此外，能量收集还可以为不适合使用电池的恶劣气候环境提供解决方案，例如温度高于60°C的环境。近年来，已经开发了许多从微米到纳米尺度的能量收集系统，包括太阳能、电磁、热电、电容和压电。

压电换能器

电磁、压电和静电换能器都可以将机械能转化为电能。然而，由于压电换能器具有较高的能量密度，与其它两种换能器相比，压电换能器被认为是更理想的选择。与静电换能器相比，压电换能器具有许多优点：

1. 即使薄膜厚度减小，压电材料的能量密度也保持较高水平，从而实现设备的小型化。

2. 压电换能器在低电压下运行。

3. 机械和电气部件的连接增加能量收集的可能性。

4. 易于创建高频、温度稳定的谐振系统。

压电材料类型

“压电材料”是指当施加机械应力时能够产生电荷的一类固体材料。一般来说，它们分为无机或有机两类。压电陶瓷和压电单晶是目前最常用的无机压电材料。有机压电材料主要包括聚偏氟乙烯等聚合物。某些有机纳米结构，如纳米线、纳米管和纳米颗粒也被观察到具有压电活性。

除了上述两种材料分类之外，具有高压电常数的纳米结构也被用于纳米级的能量收集。对于大规模的能量收集，压电器件的材料多数是压电陶瓷，而压电聚合物由于重量轻、体积小而得到快速发展。此外，压电单晶比压电陶瓷具有更小的压电常数和介电常数。相比之下，尽管压电聚合物具有低密度和低阻抗，但其应变常数和压电常数较小。与上述两种材料相比，压电陶瓷具有以下优点：

1. 更大的压电常数和介电常数。

2. 更高的形状延展性。

3. 材料成分容易调整，扩大了材料的应用前景。

性能增强

一个显著优势。目前已经开发了许多制造工艺来将复杂的压电材料结合到能量收集器中，从而不断提高其输出性能。振动能量收集器是利用了压电材料在施加外部振动和机械刺激时产生电场的能力。另一方面，环境振动源的加速度幅值和频率范围通常低于压电能量收集器的工作模式。此外，由于输入电源、工作带宽和输出性能的限制，大多数基于振动的压电能量收集器系统输出的功率都非常小。因此，提高性能和扩大工作带宽已成为两个关键且紧迫的研究重点。先进的方法对于优化其性能和扩大有效的工作频率范围是必要的。

结语

总体而言，随着物联网（IoT）的快速发展，压电能量收集器为智能家居、智慧城市、智慧健康、智能交通和智慧农业等应用的实施和推进带来了许多好处和前景。压电能量收集器是开发新型自导向自供电终端节点的重要且有前景的解决方案，这种终端节点能够在不需要电池充电的情况下运行更长的时间。此外，它还可以通过大大延迟电池更换时间来降低成本，这些能量收集技术可以提高所有物联网系统的韧性。