Общей чертой современных и одноразовых батареек является то, что они представляют собой относительно крупные компоненты и их размеры доминируют над остальными. В случае с мобильными устройствами аккумулятор занимает значительную часть корпуса и определяет многие ключевые параметры, такие как вес и время работы. По последней причине преобладает тенденция к тому, чтобы батарея имела максимально возможную емкость, т. е. на практике была как можно большей.
Это применимо к подавляющему большинству применений – от автомобилестроения, бытовой техники и бытовой электроники. Чем больше емкость, тем лучше восприятие продукта покупателем. Следовательно, большинство исследований и разработок сосредоточено на максимизации мощности, размера и плотности энергии на единицу объема для снижения веса.
Виды нанобатареек и их особенности
Типичный современный размер ячейки составляет 18650, т.е. 18×65 мм. Меньшими по размерам являются пальчиковые батарейки типа АА (R6) и ААА (R3). Далее идут:
- кнопочные элементы в виде литий-ионных батарей типа CR2032;
- воздушно-цинковые батареи для слуховых аппаратов размерами 6×4 мм;
- часовые элементы, где самый маленький серебристый AG1 имеет размеры 6,8×2,15 мм и имеет емкость 8 мАч.
С точки зрения медицинской электроники (имплантатов) или микросенсоров для армии это пока «большие» батареи, поэтому ведутся исследования по чему-то еще меньшему. Это уже описанные твердотельные аккумуляторы, т.е. на практике многослойные керамические конденсаторы большой емкости, имеющие размеры «чипа».
Помимо многочисленных преимуществ, их недостатком является хрупкость керамики, что затрудняет ее использование в условиях высоких механических воздействий. Если в планы входит создание роя датчиков, запускаемых ракетой, с ними проект, скорее всего, потерпит неудачу. Керамика также сложна в производстве, т.е. дорога, что препятствует более широкому распространению этих решений.
Другой подход предполагает использование 3D-печати, при которой активные слои и электролит в виде геля наносятся на гибкую подложку, содержащую напыленные электроды. Подобные решения тестируются с использованием струйной печати. Они дают хорошие результаты, но стоимость таких решений немалая.
Наконец, эту фольгу с добавками, составляющую батарею, необходимо разрезать на кусочки и затем подключить к приложению. Это нетривиально и требует оборудования, времени и механической сборки, то есть крепления с помощью клея. Этот метод позволяет изготовить батарею размером с булавочную головку, подходящую для хранения содержимого SRAM-памяти, например, в защищенном чипе или микродатчике, или которую также можно назвать микробатареей.
Нанобатарейки – новые разработки
Последним достижением являются нанобатареи размером 0,1×0,1 мм и толщиной микрометра. Их производят аналогично кремниевым чипам, используя методы фотолитографии для создания платиновых электродов и используя осаждение активного слоя из газовой фазы, реализующего химическую формулу источника.
Такие клетки захватывают кислород из воздуха и используют его для окисления цинка и создания потенциала до 1 вольта. Объем таких ячеек измеряется в отдельных пиколитрах, и они химически стабильны. Поскольку в них используется тот же процесс, что и в обычных воздушно-цинковых кнопочных элементах, используемых в слуховых аппаратах. Плотность энергии колеблется от 760 до 1070 Втч/л, что не так уж и мало.
Преимущество здесь в том, что одновременно производятся тысячи ячеек, как и крошечные интегральные схемы на большой подложке. Кроме того, производственный процесс может быть интегрирован с остальной частью производства чипов, так что чип памяти будет иметь батарею поверх кремниевой структуры в качестве дополнительного слоя. Это означает низкие затраты.
Размер нанобатарей означает, что они не обеспечивают много энергии, но даже этих нановатт достаточно для различных приложений, включая МЭМС-датчики, резервное копирование памяти или даже микроактуаторы. Поскольку рекорды низкого энергопотребления бьются постоянно, а наноампер источника питания достаточно для многих систем, решением становятся нанобатареи.
Читайте на тему: Почему на ноутбуке батарея может выйти из строя
