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千锤百炼始成金,这款小型锂离子充电电池如何做到循环25000次?

2019-11-29 18:26
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随着物联网产品向着小型化发展,采用的电池也越来越小,但是用户也不希望待机时间变短,而且要求充电速度越拉越快,这就迫使元器件厂商在电池技术的研发上不断下功夫,实现突破。下图是尼吉康带来的手机触控笔应用案例,通过左侧的触控笔,用户可以在非接触的条件下控制手机界面,能够完成翻页、上滑、下滑、返回等功能。

左侧的触控笔采用的就是尼吉康的电池产品。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介绍,“尼吉康成立于 1950 年,在过去 69 年的发展历程中,我们一直致力于电解电容器产品的研发,每年都有新产品推出,今年我们带来的是小型锂离子可充电电池,这款电池可以循环 25000 次。” 按照每天充电一次计算,这款电池可以用近 70 年,如果不考虑其他元器件的寿命,这款产品一辈子都不需要换电池了。

小型锂离子可充电电池:高功率输出、长寿命、高能量密度

一直以技术研发作为企业的驱动力,尼吉康研发这款小型锂离子可充电电池是出于技术需求。

众所周知,电池对能量密度要求比较高,EDLC 的功率密度较高,锂离子可充电电池能量密度较高,小型锂离子可充电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,但是它的能量密度接近 EDLC(电气二重层),功率=电流×电压,因此它的出入力功率比较大。

将三种电池进行对比,小型锂离子可充电电池的能量密度优于 EDLC,功率密度可达到 3kW/kg,优于电池。一般的手机、纯电动汽车电池使用 2-3 年后,衰减就非常严重,电池循环寿命在 3000 次以下,该款新型电池的充电寿命可循环 25000 次。更重要的是,小型锂离子可充电电池无由热失控引起的发热、着火现象,因此安全性更高。

经过测试,小型锂离子可充电电池在 25000 次充放电后,容值达到最初的 80%以上,衰减小于 20%。

在充电速度上,充电非常快,如上图,1C 是 60 分钟充放电一次,20C 是 3 分钟充放电一次,10C 是 6 分钟充放电一次,可以看出,该款电池可以实现 3 分钟内全容量约 80%的超急速充电,还可以通过 20C 实现超过全容量 90%的超急速放电,而且在零下 30 摄氏度下也可以正常使用。

关于安全性,在压坏、针刺、外短、过充电、强制放电环节,小型锂离子可充电电池均不会发生爆炸和起火现象,毛继东的解释是,“我们使用了超高安全性的 LTO 材质,LTO 表面由于相变化阻抗变高,只有微量电流通过,内部短路电流小,表面不会发烫;而且 LTO 产品在高速充电、低温、长期循环时也不会得到 Li 析出电压。对比普通的锂电池,其负极材料是石墨,内部短路电流很大,当电压放到 0V 以下,会有锂离子析出,这些锂离子会通过绝缘体移动倒正极后,电池就会发生内部短路,而小型可充电锂电池的放电电压不会降低到 0V,因此不会出现内部短路的问题。”

长寿命、高安全性、急速充放电,这几个特征使得小型锂离子可充电电池可以在物联网设备、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。

超小充电方案:采用了特瑞士半导体株式会社的超小型外壳中封装的 LDO 低压差线性稳压器和线路开关,可以向直径 3x7 超小型锂离子可充电电池做省空间的 CCCV 充电。

持续深耕电容器产品,实现 150 度的超高耐热

尼吉康每年都会针对电容器做技术更新,今年的新技术有三个方向,第一是铝电解电容器的异常电压的应对技术,此技术将异常电压对应保证温度从以往的常温(15-35℃)提升至最高使用保证温度(105℃),在常温范围(15-35℃)中使用的话,最高对应异常电压从以往的 450V 提升到 500V;第二是,高压用铝电解电容器低温特性改善,通过改善低温特性,抑制电容器在低温中的性能低下,大大改善了 120Hz 下的容量变化率,阻抗比,以及 ESR 等性能;第三是 105℃ 800V 对应电解液开发,用于工业变频器、高雅电源转换装置。通过和三重大学合作,尼吉康利用其有机合成技术,开发出一种新型电解液,可以在 105℃的高温下承受 800V 以上的电压,并正致力于相关大型电容器开发。

从产品来看,混合铝电解电容器高耐热 GYD 系列,通过改善高分子的形成过程,建立即使在高温环境下也能抵抗劣化的聚合物形成技术,实现难以在超高温环境下蒸发并且与高分子匹配性高的电解液组成,150℃高温下可以工作 1000 小时;混合铝电解电容器 GYA 的耐久性升级到 125ºC4000 小时,GYB 升级到 105ºC10,000 小时;高分子铝电解电容器 PCM 系列的耐久性升级到 125?C 8000h,PCZ 系列的耐久性达到 150ºC2000 小时;芯片型铝电解电容器正在开发 150?C2000h 的新产品;引线型铝电解电容器 UXY 系列,可以做到业界最高 40G 耐振性能。

能够看出,最新的电容器在耐久性和抗高温方面进行了很大的改善,那么,150ºC 产品的具体应用在哪里?毛继东解释,“我们实现 150ºC 是封口橡胶塞高分子材料密度提高的层级和电解液高温稳定不易蒸发的环境下实现的。主要针对两个市场,第一是新能源汽车,有人认为从内燃机变成电机以后,温度降低了,其实中间还有混动阶段,不管强混还是弱混,都有两套系统,一套是燃油系统,一套是电气系统,同时工作起来,温度只会比以前更加高,而且新能源汽车电池质保时间更长,把电池温度耐受提高到 150ºC,稳定续航时间也更长;第二是通讯,对比发现,汽车还能处于休息状态,但是基站需要 24 小时工作,很多基站为了做防尘处理没有风扇,完全处于一个密闭空间中,因此环境更加恶劣,必须将耐受温度提高到 150ºC,才能保证数据稳定使用。

宿迁工厂进一步扩大,确保本地服务和供货交期

尼吉康在日本设有 7 个工厂,其中富田工厂和大町工厂做原材料,负责铝箔加工;岩手工厂、大野株式会社以及大野第二、第三工厂做铝电解电容器,导电性高分子铝电解电容器和混合铝电解电容器;草津株式会社负责薄膜电容器。除此之外,尼吉康还在马来西亚、中国无锡和宿迁设有工厂,并且宿迁工厂正在扩建中。

“大家四年前去参观宿迁工厂一定有一个感受:好大的一片地,只有一栋房子。”尼吉康株式会社电容事业本部事业战略室长山本俊哉指出,“其实剩余的地早有规划,明年在这个生产基地会生产新能源汽车薄膜电容器。有这样的规划,是因为全球的新能源汽车市场中,中国市场发展最快,出货量最大。目前,宿迁工厂所生产的固态高分子电容器已经用于很多主板、笔记本电脑,以及各种充电器中。另外,汽车客户要求我们增加产能,满足他们的市场需求,同时他们要求供应商必须有两个及以上附属生产基地,来确保在紧急情况下的稳定供给。”

关于宿迁工厂的建设规划,山本俊哉表示,明年新工厂和生产车间建设好以后,这块规划用地就建好了一半。我们非常看好中国系能源汽车市场的发展,在 2018 年 8 月,我们就取得了 IATF-16949 汽车生产线的认证,完全可以满足汽车产品的生产需要。

作者:郭云云

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