Baterie solid-state, będące alternatywą dla powszechnie stosowanych obecnie akumulatorów litowo-jonowych, są obecnie intensywnie rozwijane na całym świecie. W takich akumulatorach nowej generacji jest stosowany elektrolit stały zamiast ciekłego. Uzyskuje się dzięki temu znacznie większe bezpieczeństwo i niezawodność, a także dłuższą żywotność. W 2020 roku firma TDK z powodzeniem skomercjalizowała pierwszy na świecie całkowicie ceramiczny akumulator solid-state SMD^*1, CeraCharge®. Ponadto w 2024 r. firma z powodzeniem opracowała nowy materiał elektrolityczny dla akumulatorów sold-state o gęstości energii około 100 razy większej niż konwencjonalne produkty. Trwają prace nad bateriami, które mogą zastąpić istniejące baterie pastylkowe znajdujące się w bezprzewodowych słuchawkach, aparatach słuchowych, smartwatchach i innych elektronicznych urządzeniach do noszenia (wearable devices).

Baterie solid-state: Rozwiązanie nowej generacji, które pokonuje wyzwania związane z konwencjonalnymi bateriami litowo-jonowymi

W erze IoT, w której prawie wszystko jest podłączone do Internetu, nie jest przesadą stwierdzenie, że kluczowa staje się nie tylko miniaturyzacja i lepsza łączność, ale także wydajność baterii. Baterie litowo-jonowe, które charakteryzują się wysoką gęstością energii, są obecnie powszechnie stosowane w różnych urządzeniach elektronicznych, takich jak laptopy, smartfony i słuchawki bezprzewodowe, a coraz częściej także w dronach, rowerach elektrycznych i pojazdach elektrycznych. Jednakże, ze względu na materiał stosowany do produkcji organiczno-rozpuszczalnikowych elektrolitów, producenci urządzeń IoT od dawna domagają się bezpieczniejszych, bardziej niezawodnych baterii opartych na stabilnych elektrolitach wytworzonych z materiałów stałych. Stosowane obecnie elektrolity ciekłe niosą ze sobą ryzyko wycieku i pożaru, stanowią więc poważne zagrożenie w użytkowaniu urządzeń.

Oczekuje się, że rynek akumulatorów będzie rósł wykładniczo, ponieważ akumulatory o dużej pojemności montowane w pojazdach elektrycznych, również prawdopodobnie zostaną ostatecznie zastąpione akumulatorami solid-state.

Globalny udział w rynku akumulatorów solid-state według zastosowań

Rys. 1. Udział baterii solid-state w zastosowaniu na rynku elektroniki użytkowej, transporcie i lotnictwie. Źródło: Dane z The Faraday Institution i różnych źródeł internetowych przeanalizowane przez TDK

Oczekuje się, że udział w rynku baterii ze stałym elektrolitem wzrośnie wykładniczo w zastosowaniach takich jak elektronika użytkowa, transport i lotnictwo.

Konwencjonalne baterie litowo-jonowe vs. baterie litowo-jonowe ze elektrolitem stałym

Rys. 2. Baterie solid-state zapewniają wysoki poziom bezpieczeństwa i długą żywotność dzięki wykorzystaniu stałych materiałów elektrolitowych zamiast ciekłych elektrolitów stosowanych w konwencjonalnych bateriach litowo-jonowych

Najważniejsze cechy CeraCharge, baterii SMD, której pionierem jest TDK

W ramach globalnego wyścigu w opracowywaniu akumulatorów solid-state, firma TDK z powodzeniem stworzyła w 2020 r. pierwszy na świecie akumulator solid-state SMD (Surface Mount Device)^*1 – CeraCharge. CeraCharge został opracowany w oparciu o zaawansowane wielowarstwowe technologie ceramiczne TDK i wyróżnia się przydatnością do masowej produkcji. Jego stały elektrolit ceramiczny eliminuje ryzyko wycieku i pożaru, a inne praktyczne właściwości to: wymiary 4,5 mm × 3,2 mm × 1,1 mm, napięcie znamionowe 1,5 V, pojemność 100 μAh oraz zakres temperatur pracy od -20˚C do 80˚C. Co więcej, w 2024 r. TDK wykorzystując swoje wieloletnie doświadczenie w opracowywaniu materiałów zaprojektowała i opracowała nowy materiał do akumulatorów solid-state o znacznie wyższej gęstości energii niż obecne produkty. Został w niej zastosowany stały elektrolit na bazie tlenku i anody ze stopu litu.

Ponadto obudowa SMD CeraCharge ułatwia montaż baterii i zmniejszenie kosztów związanych z tą operacją. Zalety związane z rozmiarem, bezpieczeństwem i żywotnością stwarzają duży potencjał do wdrożenia w urządzeniach IoT, które będą używane w różnych warunkach.

Przekrój baterii solid-state CeraCharge® (schemat)

Rys. 3. CeraCharge powstał w wyniku zastosowania zaawansowanych technologii ceramiki wielowarstwowej TDK, udoskonalanych przez wiele lat

Pierwsze zastosowanie: Termometry kuchenne

CeraCharge, bezpieczna bateria solid-state wielkości chipa, znajduje zastosowanie w szerokiej gamie produktów IoT. Jednym z takich zastosowań jest termometr kuchenny opracowany przez duńską firmę CookPerfect. Jest to 15-centymetrowa metalowa sonda termometryczna z pięcioma czujnikami temperatury, modułem komunikacyjnym BLE (Bluetooth Low Energy)^*2 i TDK CeraCharge. Wewnętrzną temperaturę mięsa pieczonego w piekarniku można sprawdzić w czasie rzeczywistym za pomocą smartfona, po prostu wkładając sondę. Urządzenie to, które można zakwalifikować do przełomowych, umożliwia każdemu gotowanie w idealnych temperaturach dużych bloków mięsa, na przykład takich, jak pieczenie podawane na uroczysty obiad.

Martin Kloster, współzałożyciel i dyrektor zarządzający CookPerfect, omówił produkt i proces jego rozwoju:

– Kiedy zaczęliśmy projektować CookPerfect w 2016 roku, nie była dostępna technologia baterii, która umożliwiałaby pomiar w pięciu pozycjach, obliczanie złożonych algorytmów i zapewniała wystarczająco małe rozmiary, aby baterię można było wbudować w urządzenie. Dzięki CeraCharge byliśmy jednak w stanie stworzyć pierwszy „prawdziwie bezprzewodowy” termometr.

Kloster podkreślił znaczenie niezawodności i bezpieczeństwa, ponieważ termometry te są wkładane bezpośrednio do żywności i używane w piekarnikach i grillach, gdzie temperatura bywa bardzo wysoka.

– Nigdy nie może dojść do wycieku jakichkolwiek chemikaliów. Potrzebowaliśmy również wysokiego zakresu temperatur pracy, który zapewniałby użycie wewnątrz piekarników. CeraCharge nie stwarza ryzyka wycieku ze względu na stałą formę elektrolitu, jest wystarczająco mały, aby można go było zainstalować w urządzeniu o średnicy 3,7 mm i może wytrzymać do 85˚C – były to główne czynniki, które wpłynęły na naszą decyzję o zastosowaniu go w naszym produkcie – dodał Kloster.

Bezprzewodowy termometr do mięsa CookPerfect

Rys. 4. W metalowej sondzie o długości 15 cm umieszczono pięć czujników temperatury, moduł komunikacyjny i baterię solid-state CeraCharge, umożliwiająca monitorowanie temperatury mięsa podczas gotowania w czasie rzeczywistym. (Zdjęcie dzięki uprzejmości CookPerfect)

Pełnoprawne społeczeństwo IoT pojawia się już na horyzoncie. Coraz więcej urządzeń jest wyposażonych w różne sensory, na przykład takie, jak przedstawiony termometr do gotowania, łączący czujniki temperatury z możliwościami komunikacyjnymi. Dzieje się tak wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na baterie o różnych rozmiarach i specyfikacjach. Obecnie rozważa się integrację baterii CeraCharge z szeroką gamą urządzeń, w tym zegarów czasu rzeczywistego (RTC)^*3 dla inteligentnych liczników i czujników. Baterie solid-state są również idealne do urządzeń noszonych bezpośrednio na ciele, ponieważ charakteryzują się doskonałą stabilnością termiczną.

Prognozuje się, że baterie pastylkowe, które w większości są obecnie utylizowane, będą stopniowo zastępowane akumulatorami, a także wersjami solid-state. Firma TDK, która jako pierwsza na świecie skomercjalizowała baterie solid-state, kontynuuje prace nad rozszerzeniem swojej oferty produktów o zwiększonej miniaturyzacji i pojemności, aby objąć szerszy zakres zastosowań. CeraCharge będzie nadal wspierać szybko rozwijający się rynek IoT.

Bateria półprzewodnikowa CeraCharge

Rys. 5. Rośnie zapotrzebowanie na kompaktowe, bezpieczne i niezawodne źródła zasilania w przemysłowych i konsumenckich urządzeniach IoT – od prostych gadżetów, po urządzenia o złożonych wymaganiach. Aby im sprostać, firma TDK opracowała pierwszą na świecie baterię solid-state SMD wielokrotnego ładowania, CeraCharge. W 2024 r. firma TDK z powodzeniem opracowała nowy materiał, z którego jest wykonywany elektrolit baterie solid-state o gęstości energii znacznie przewyższającej obecne produkty.

Więcej informacji można znaleźć w Centrum produktów TDK.

__________________________________

Terminologia

^1. Urządzenie do montażu powierzchniowego (SMD) – element elektroniczny montowany bezpośrednio na powierzchni płytki drukowanej za pomocą lutowania. Metoda ta wykorzystuje mniej miejsca w porównaniu do montażu przewlekanego, umożliwiając miniaturyzację urządzeń.

^2. BLE (Bluetooth Low Energy) – Część standardu Bluetooth, technologii komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu. Ze względu na niskie zużycie energii i niski koszt, przyciąga uwagę jako technologia komunikacyjna do zastosowania w urządzeniach IoT.

^3. Zegar czasu rzeczywistego (RTC) – Układ wbudowany w komputer lub urządzenie, który stale mierzy upływ czasu, nawet gdy system jest wyłączony.

Źródło: TDK