帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
行動裝置電池新興技術發展趨勢
 

【作者: MIC】   2013年12月11日 星期三

瀏覽人次:【8737】
  

現代人對行動裝置依賴日深,因此行動裝置的續航力越來越重要。但目前行動裝置主流電池技術-鋰離子電池其能量密度仍不夠高,無法滿足消費者的需求,因此廠商及研發機構紛紛研發各種新興行動電池技術解決方案。本文將分析可快速充電的電池技術目前之進展。



圖一 :  行動裝置的續航力越來越重要
圖一 : 行動裝置的續航力越來越重要

行動電池主流技術-鋰離子電池(Lithium Ion)

行動裝置功能越來越強大,現代人對行動裝置如筆記型電腦、智慧型手機等之依賴日深,因此行動裝置的續航力越來越重要。但目前行動裝置主流電池技術-鋰離子電池其能量密度仍不夠高,無法滿足消費者的需求,因此各種備用行動電源盒紛紛出現,提供額外的補充電力。有鑑於此,廠商紛紛尋求高能量密度且適合行動裝置使用的新興電池技術。


不過,在分析新興行動電池技術之前,我們先檢視鋰離子電池目前技術現況。鋰離子電池的工作原理,當充電時,由於外部給予正極高能量,因此鋰離子由能量較低的正極被趕往負極,而成為能量較高的狀態。放電時,鋰離子則放出電子並流回能量較低的正極。


行動裝置用的鋰離子電池的正極目前主流材料是鋰鈷氧化物(LiCoO2)及鋰鎳錳鈷三元系(NMC),負極則使用石墨,電解液則採用添加了鋰鹽的有機溶劑。在正極和負極之間則用隔離膜隔離兩邊的有機電解液,避免電子由正極透過電解液流至負極而造成短路,僅讓鋰離子通過。


鋰離子電池的重量能量密度約為100~250Wh/Kg,約是早期筆記型電腦用的鎳氫電池(60~120Wh/Kg)的兩倍,鎳鎘電池(40~60Wh/Kg)的3倍以上,而且沒有記憶效應。體積能量密度方面,鋰離子電池約為250~730Wh/L,約是鎳氫電池(140~300Wh/L)的兩倍,鎳鎘電池(50~150Wh/L)的4倍以上。


儘管鋰離子電池能量密度比起早期電池技術已經大幅提高,但因為行動裝置越來越輕薄短小,電池體積有限,因此在有限的體積下,僅能提供筆電(Ultrabook)約5小時、智慧型手機正常使用下約1天的電能,因此廠商仍積極尋求可以供應更久持續力的電池技術。


充電快速的電池技術發展動態

電雙層電容器(EDLC)

電雙層電容器(Electric Double Layer Capacitor,EDLC),又稱做超級電容器(Ultra-capacitor or Super-Capacitor),是一種具備高能量密度的電化學電容器,比傳統的電容器容量高上數百倍到數千倍。


傳統電容器由兩片金屬片組成,中間填入絕緣的介電質以隔離金屬片。當接上電池充電時,正電荷和負電荷分別聚集在金屬片上以儲存電能。其儲存容量大小與金屬板的面積成正比,與兩金屬板距離成反比,也與介電質材料有關。


EDLC使用多孔活性碳為電極,其坑坑洞洞的材料特性,使儲電表面積大為提高,一般而言,一公克活性碳(約為附在鉛筆頂端的橡皮擦大小)其表面積可高達250平方公尺(約為一面網球場大小),若是使用其他材料如石墨、碳奈米管、碳氣凝膠、石墨烯或導電聚合物等,其表面積會更大。


此外,透過極化電解質,而將電荷儲存在電極板和電解質之間,共有兩層,電荷儲存容量又多增加一倍,因此EDLC能儲存非常高的電能。


EDLC還有很多優點,適合用在行動裝置電池上:


1. 充電快速:因為不是化學的氧化還原反應,而是純粹物理的電荷移動,因此其充電速度非常快,幾秒到幾十秒即可充滿,而且充電電路簡單,結構也簡單,幾乎不需維護。


2. 功率密度高:可提供大電流,適合運用於筆記型電腦或需要更高功率的行動設備。


3. 壽命非常長:可充放電大於50萬次,若每天充放電2次,可連續使用680年,而且沒有記憶效應。


EDLC目前已經廣泛使用於智慧型手機、電動手工具等產品,但主要是提供瞬間大電流,例如手機的閃光燈。此外,電動車廠商也積極開發電動車的車用電池。但由於目前單位體積的儲電量仍無法滿足行動裝置需求,而且生產成本高,因此仍無法取代行動裝置的鋰離子電池。


不過,2012年三月,美國加州洛杉磯分校(UCLA)的研究員發展出利用DVD燒錄器製作以石墨烯為電極的超級電容器的方法,若此方法發展成熟,由於石墨烯的單位重量表面積約為活性碳的10倍,將可以提高超級電容器的容量並降低生產成本,如此以超級電容器取代鋰離子電池將指日可待。


UCLA的製作方法,首先,在DVD空白片塗上薄薄的氧化石墨水溶液,再利用DVD燒錄器的雷射光將氧化石墨燒成石墨烯,並蝕刻成如手指交握的兩個鋸齒狀電極,過程僅需30分鐘。最後再黏貼上電解質,完成超級電容器。


UCLA後續的研究是希望找出新的電解質,以提高儲電量,至少達到鋰離子電池的水準,但充電時間能在五分鐘之內。


UCLA研發出的用便宜的DVD燒錄器製造石墨烯電極的製造方式,是EDLC技術的一大進步,讓EDLC技術有望於未來數年內逐漸發展出可用於智慧型手機、筆電的行動電池。


磁電容(Magnetic Capacitor,MCAP)

當我們對電容器中的介電質施加磁場時,該材料的介電常數會產生明顯的變化,此現象稱作磁電容效應(Magneto Capacitance Effect)。電容的儲電能力與介電常數成正比,因此若我們能在電容上加入足夠大的磁場,則該電容將可以儲存大量的電能,此即磁電容的技術原理。


磁電容兩個電極中,一個是正常的無磁性導電金屬,另一個則是由數十個具磁性的導電物質(鐵鉑合金或銅鉑合金)組合而成的電極。磁性電極會產生巨磁電容效應(Giant Magneto Capacitance,GMC),大幅改變介電質的介電常數,理論上應能讓磁電容儲存大量電荷。


磁電容技術才剛起步,目前有業者宣稱已經可以做到驅動LED或小玩具車的馬達。由於磁電容能量密度是鋰離子電池十倍以上,業者宣稱未來技術成熟後,一片如信用卡大小尺寸的磁電容可望提供筆記型電腦數個小時的續航力,一片如SIM卡大小的磁電容就可以提供智慧型手機數小時的續航力。


MCAP技術是最近幾年才被提出,並陸續提出技術原理與相關製造方法的專利申請,但此技術目前仍受到不少質疑,懷疑其可行性,因此後續會如何發展,仍有待觀察。


行動電池市場潛力

@內文行動電池市場規模潛力非常巨大,從筆記型電腦、智慧型手機、相機、遊戲機等都是其未來應用市場。圖九列出2012年筆電、平板電腦、智慧手機、數位相機等四項重要行動裝置產品出貨量,總共為11.3億台,其所需的電池市場規模在257億美元以上。



圖二 : :2012年行動電池潛力應用產品之市場出貨量
圖二 : :2012年行動電池潛力應用產品之市場出貨量

快速充電電池技術觀測重點

@內文UCLA以便宜的方式製造出石墨烯EDLC雛形是一項令人振奮的突破,因此後續應持續注意該技術的進展情況。


磁電容技術理論聽起來相當不錯,但因為技術太新了,仍有很多人抱持懷疑的態度。雖然有研究論文顯示施加4特士拉(Tesla,1T = 10,000高斯)的巨大磁場於某些介電質上,確實能提升其介電係數300倍以上,但是否因此就能做出儲存巨量電荷的磁電容,仍是個未知數,因此若對此技術有興趣者,觀測重點在該技術是否能做出足以驅動至少是MP3播放器之類行動裝置的雛形,以證明該技術確實可行。


(本文作者吳顯東為資策會MIC資深產業顧問)


相關文章
鋰離子電池槽的主動式電荷平衡
掌上型設備用無線數據機的電源設計
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新品
OMAP 4處理器
原廠/品牌:TI
供應商:TI
產品類別:CPU/MPU
CT49 Memory SiP NAND + DDR3
原廠/品牌:鉅景
供應商:鉅景
產品類別:Memory
CT84 Memory SiP DDR3 Stack
原廠/品牌:鉅景
供應商:鉅景
產品類別:Memory
  相關新聞
» 意法半導體與Wurth Elektronik攜手提升線上電源應用設計環境
» ADI為RapID Platform網路介面添加POWERLINK協定
» Gartner:預測2017年全球半導體營收攀升12.3%
» ADI攜手瑞薩電子開發77/79-GHz汽車雷達技術
» 意法半導體與ClevX合作推高安全性加密技術平台
  相關產品
» 東芝為汽車音響系統推出電源供給需求新型電源IC
» 意法半導體可配置高效交錯式功率因數校正控制器
» 安森美半導體新影像感測器用於光照度低於1勒克斯的成像應用
» Dialog最新電源管理IC可大幅提升數位單眼相機功率效率
» 英飛凌全新封裝StrongIRFET MOSFET 適用於電池供電應用

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2017 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw