紙電池，是真的嗎？

我對此感到非常好奇，因此我特別想與紙電池公司(PBC)的首席執(zhí)行官Shreefal Mehta和高級總監(jiān)Dave Rich交流一下。

PBC公司成立于2008年，位于紐約州北部。公司的愿景是卷到卷印刷生產(chǎn)可擴(kuò)展、靈活、結(jié)構(gòu)化的能量存儲(chǔ)材料片。這種技術(shù)可以在同一大批量印刷生產(chǎn)線上制造電池和超級電容(能量和功率)材料。

PBC公司如今正在開發(fā)超薄超級電容技術(shù)，這種技術(shù)據(jù)稱可以增強(qiáng)移動(dòng)設(shè)備和依賴傳統(tǒng)可充電鋰電池的其它產(chǎn)品的電池性能。該技術(shù)是一種獨(dú)特的、相對非界入式(只有0.3mm厚)技術(shù)，能與現(xiàn)有的電池解決方案一起工作，而且具有環(huán)境友好特性。借助這種可擴(kuò)展性技術(shù)，能量的存儲(chǔ)和分配可以得到顯著改善，而且使用的具有成本效益和空間效益的片狀產(chǎn)品很容易設(shè)計(jì)進(jìn)各種電子產(chǎn)品中。

PCB公司看準(zhǔn)了嵌入式設(shè)備越變越小、越變越薄并且采用電池供電的趨勢，因此他們決心為電池開發(fā)又薄又便宜的設(shè)計(jì)。我想知道這種技術(shù)究竟有多好。

PBC公司還宣布了與領(lǐng)先的電池組制造商TWS的合作伙伴關(guān)系，后者是世界上前五大電池供應(yīng)商之一。

為了更深入地了解這一技術(shù)，我問了一些問題，并做了一些研究。

懷疑一切的人

我發(fā)現(xiàn)葡萄牙的新里斯本大學(xué)已經(jīng)對在纖維素紙上構(gòu)建的紙薄膜電池做了大量的研發(fā)工作。這種纖維素紙同時(shí)又用作電解液，起到分隔電極的作用，也作為可充電電池的物理支撐1。作為事實(shí)，3V原型電池已經(jīng)能夠控制紙晶體管的開/關(guān)狀態(tài)。

2013年普渡大學(xué)使用基于柔性紙的集電體成功制造出鋰離子電池。其中的集電體是在覆蓋有碳納米管的超細(xì)木纖維上制造出來的，采用了靜電疊層納米組裝工藝2。

因此，沒問題——它可以做出來?，F(xiàn)在我又對紙電池公司的設(shè)計(jì)感興趣了。

紙電池公司的工藝

紙電池公司(PBC)的PowerPatch產(chǎn)品線包含了超薄、可以加圖案的超級電容器，其中的互連和封裝設(shè)計(jì)成可以形成緊湊的能量模塊，其工作電壓范圍從2V到7.8V，具體取決于目標(biāo)壽命。

這種第一代產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了PowerWrapper技術(shù)平臺(tái)的有限子集，突出了PBC公司為這種下一代超薄、可加圖案的超級電容開發(fā)的封裝創(chuàng)新技術(shù)。

典型的傳統(tǒng)電池尺寸為90x30x4mm，等效串聯(lián)電阻(ESR)為75mΩ；紙電池公司的解決方案尺寸為7cmx4mmx0.3mm，ESR不到30mΩ。

更讓人欣慰的是，這種設(shè)計(jì)對環(huán)境非常友好：超級電容技術(shù)使用的電極是由高表面積活性碳、碳納米管或石墨烯組成的。紙或其它多孔聚合物分隔器容納電解液并分隔電極。集電體通常是鋁箔，連接到電極上，并承載電荷的輸入輸出。PowerPatch產(chǎn)品沒有電池中常見的有毒重金屬 ，完全符合RoHS指令。減少壓降

PowerPatch第二代產(chǎn)品能以真正很小的空間顯著減少壓降。

頂部的圖形是帶PBC公司超級電容的傳統(tǒng)電池。底部的圖形顯示在GSM手持無線電設(shè)備中單用傳統(tǒng)電池有顯著的壓降。

紙能夠適應(yīng)復(fù)雜的形狀

傳統(tǒng)電池很難裝配進(jìn)復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)。更薄的電池意味著更輕、更薄的外部產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

新產(chǎn)品設(shè)計(jì)范例。電池/超級電容現(xiàn)在可以圍繞PCB板布置以滿足產(chǎn)品的最小體積要求?，F(xiàn)在還容易做成分布式電容。這種設(shè)計(jì)能夠減小PCB上的電壓變化，減少很多PCB元件，還能同時(shí)向一個(gè)或多個(gè)負(fù)載提供峰值功率脈沖。選擇外形尺寸的靈活性允許不規(guī)則的形狀，同時(shí)仍能提供優(yōu)異的散熱和RFI(射頻干擾)好處。

隱含的優(yōu)勢

苗條的外形使得PowerPatch非常有益于擴(kuò)散和屏蔽熱量。PowerPatch的架構(gòu)設(shè)計(jì)可以使電磁干擾“更安靜”，并能用作RFI的屏蔽罩。

這種技術(shù)支持的應(yīng)用：

電容觸摸屏—噪聲(電磁干擾)是電容觸摸屏的首要問題，PowerPatch不僅可以用作屏蔽罩，而且有助于維持LED驅(qū)動(dòng)器的電壓穩(wěn)定。

相機(jī)閃光燈—大多數(shù)超過130萬像素的手機(jī)相機(jī)都要求強(qiáng)大的拍照閃光燈，以及在較低光線條件下方便攝影的超亮電筒。閃光燈強(qiáng)度直接和間接地影響圖像質(zhì)量3。向閃光燈提供的功率脈沖要求高能量和很低的ESR。

智能手表—目前智能手表雖然新穎，但作為智能手機(jī)或平板電腦的附屬設(shè)備功能還很有限。功能的演進(jìn)需要更好的電源來延長通信距離和提高數(shù)據(jù)速率。

電池供電的小型低音和超低音聲響系統(tǒng)——為了獲得最好的聲音，電源電壓的變化必須盡可能小以適應(yīng)瞬態(tài)功率要求，特別是當(dāng)只有電流需求改變時(shí)。具有高能量密度和低ESR的超級電容可以提高這種場合中的系統(tǒng)性能。越薄的外形尺寸使得它們能夠裝配進(jìn)最終產(chǎn)品或低音產(chǎn)生子系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)中。

個(gè)人音頻放大器和醫(yī)療聽力系統(tǒng)—集成藍(lán)牙和其它無線射頻技術(shù)，數(shù)據(jù)流可直接進(jìn)入設(shè)備。RFI和真實(shí)聽力援助中心(THAC)問題。

LED驅(qū)動(dòng)器—電壓穩(wěn)定性，效率得到提升，具有散熱和RFI好處，而且具有成本和尺寸優(yōu)勢。

未來

未來增長將通過擴(kuò)展產(chǎn)品到大規(guī)格性能疊層、將能量打包為結(jié)構(gòu)化單元(如太陽能陣列背板到混合動(dòng)力汽車電池組)推動(dòng)。

PowerPatch實(shí)現(xiàn)可以有多個(gè)輸出，而未來還會(huì)有多種電壓。這些優(yōu)勢使得PowerPatch能夠連接到相鄰的多個(gè)負(fù)載，以便獲得可能最小的ESR。PowerPatch可以用來對電壓進(jìn)行乘除運(yùn)算，然后直接饋送給負(fù)載，或作為電壓轉(zhuǎn)換器的輸入，也可作為連接電壓轉(zhuǎn)換器的存儲(chǔ)器。

未來，PowerPatch將支持把元件直接安裝到PowerPatch上，比如穩(wěn)壓元件、開關(guān)和控制器件以及RFID元件等。