Baterie solid state - coraz więcej zastosowań!

Skoro źródła chemiczne nie były w stanie dostarczyć jej wystarczająco dużo, a rozwój był ograniczony przez wiele zjawisk fizycznych, wysiłek kierował się w taką stronę, aby tą niewielką ilością energii jak najlepiej gospodarować. To się w bardzo wielu przypadkach udało i dzisiaj mamy mnóstwo urządzeń zadowalających się mikrowatami zasilania, takich jak rozproszone sieci sensorowe, IoT, elektronika noszona i podobne.

Jeszcze do niedawna ekscytowaliśmy się tym, że czujnik z komunikacją bezprzewodową jest w stanie pracować 10 lat z użyciem baterii CR3032. Dzisiaj taki wynik już spowszedniał, a elektronika sięga po nowe rekordy, np. działanie z użyciem wyłącznie energii wolnodostępnej.

Skoro nie potrzebujemy już nawet watów i wystarczają nam ułamkowe części, w zasilaniu pojawiają się coraz częściej nowe rozwiązania. Często nie są one formalnie nowe, tyle że przez lata czekały na to, aż ograniczenia ich dotyczące przestaną być istotne, technologia produkcji zostanie dopracowana lub znajdą się na rynku na takie źródła klienci. Przykładem takiego produktu, który trafił już na półki jako produkt masowy, są akumulatory litowe ze stałym elektrolitem (solid state battery).

W odróżnieniu od wersji tradycyjnych umożliwiają one daleko idącą miniaturyzację, bo przykładowe ogniwa są wytwarzane w obudowach takich samych jak elementy SMD i przypominają kondensatory ceramiczne wielowarstwowe (MLCC).

Są bezpieczne, bo nie mają ciekłego materiału rozdzielonego wrażliwym na uszkodzenia separatorem i można je montować w standardowym procesie lutowania rozpływowego bez oprawki lub koszyka montażowego. Zamiast tego wykorzystują stały elektrolit, taki jak ceramika w postaci spieków tlenków, siarczków lub polimerów żelowych, co zapewnia większe bezpieczeństwo i większą gęstość energii. Reszta jest podobna w konstrukcji i działaniu do zwykłych wersji litowo-jonowych.

Korzyści z ich użycia jest wiele, przynajmniej w teorii. Obejmują one lepszą gęstość energii, długi cykl życia oraz lepszą stabilność termiczną i mechaniczną. Są również łatwiejsze w recyklingu, co zmniejsza ich ślad węglowy. Nie podlegają też pod ograniczenia transportowe związane z produktami niebezpiecznymi, o czym często się zapomina w przypadku mokrych akumulatorów.

Baterie ze stałym elektrolitem są postrzegane stale jako technologia przyszłości, ale już dzisiaj są wykorzystywane do zasilania rozruszników serca, chipów RFID i sensorów. Są droższe w produkcji i trudno je skalować „w górę”, a więc zapewniając zwiększenie napięcia. Nie mają ponadto dużej wydajności prądowej, bo ceramika powoduje słabe przewodzenie (transport jonów) między warstwami aktywnymi ogniwa i skraca również cykl życia takiej baterii, ograniczając możliwości jej wielokrotnego ładowania i rozładowywania. Na szczęście do tego mamy kondensatory!

Mimo wad, jest to już rzeczywisty produkt do kupienia od ręki u dystrybutorów. Przykładowe ogniwo CeraCharge jest umieszczone w zwykłej obudowie SMD typu 1812 (4,4×3×1,1 mm) i ma pojemność 100 μAh przy napięciu 1,5 V. Działa w zakresie temperatur od –20 do +80ºC, może być wielokrotnie ładowane i rozładowywane w typowym cyklu CC-CV. 100 μAh nie wydaje się dużą pojemnością, ale trzeba ją odnieść do wielkości tego elementu, który jest maleńki. Gdy jest to mało, można te akumulatorki łączyć równolegle. Niby szeregowo też, ale jakoś trzeba rozwiązać problem balansowania ładunku.

Producent podaje, że takie ogniwo jest w stanie podtrzymać działanie zegara RTC przez 16 dni, ale jestem pewien, że środowisko inżynierskie przygotuje z użyciem CeraCharge wiele interesujących aplikacji.

Robert Magdziak