用于能量收集系统设计的电池解决方案

可以采集环境光，热梯度，振动/运动或电磁辐射来为电子设备供电。同时，所有基于能量收集的系统在无法收获能量时（例如，在夜间用于太阳能系统）需要能量存储。可再充电电池 - 被称为“二级”电池，以区别于“初级”或一次性电池 - 通常用于此任务。本文将研究能量收集系统设计人员可用的各种二次电池技术，以寻找具有成本效益且功能强大的电池解决方案。

一次电池和二次电池包含与阴极相同的基本结构，阳极，用于在端子之间移动电荷的电解质，以及将它们分开的装置。二次电池的特征在于所用的可再充电化学品的类型，例如镍 - 镉或锂 - 聚合物，或固态薄膜。

虽然能量收集系统设计师可能不会专注于细胞结构和化学，但是开发各种技术的工作知识将会有所帮助，因为细胞化学决定了所有电池性能指标和限制。 

NiCd和NiMH

镍镉（NiCd）电池的市场运行时间最长用于便携式电子设备的二次电池，导致成熟的技术和低成本。但是，NiCd也具有性能优势。

例如，最新的NiCd电池具有非常低的内阻，可与标准碱性电池相媲美。除容量外，内阻是第二重要的规格，因为它决定了电池在充电和放电时的最大性能，因为它会降低电池效率。内部电阻限制了工作条件，如温度，并决定了电池的使用寿命。其低内阻使NiCd成为短时间内需要高功率的理想选择。高达50倍电池容量的放电电流（或1 Ah电池的50 A）容易被容忍，并且对容量的影响最小。当电池放电时，端子电压变化非常缓慢，并且在长时间完全放电后NiCd电池不会恶化。在21°C时，自放电率约为每月20％。常见的NiCd单元尺寸是AA。 Sanyo Cadnica SY115-ND（图1）在140 mA（0.2 C速率）下提供70 mAh的容量。 50％放电时的内部阻抗为16mΩ（1，000 Hz），充电电流范围为70 mA（标准，14至18小时充电时间）至1，050 mA（快速，约1小时充电时间）。

图1：Sanyo Cadnica SY115-ND 700 mAh NiCd AA细胞（左）和细胞本身的结构。

镍氢（NiMH）技术已开始在许多应用中取代NiCd电池。尽管NiMH用吸氢合金代替镉，但电池和电极结构与NiCd电池有许多共同之处。

金属氢化物电池的尺寸低至AAA，并且出现在许多当前的消费产品中，使其与更成熟的NiCd技术相比具有价格竞争力，同时达到或超过NiCd性能。 NiMH具有高放电率和低端电压下垂，可实现相对较高的放电深度。能量密度可高达NiCd电池的两倍。

NiMH电池的自放电率与NiCd相似;一些所谓的混合电池包含较厚的电极隔板以降低效果。这些电池通常预先充电并随时可以运输，因为某些型号在20°C下储存时可保持高达80％的充电状态一年。图2显示了Energizer NH-15-2300 AA电池的放电特性。

图2：Energizer NiMH AA电池放电特性。

锂和薄膜

锂离子（Li-ion）电池与NiMH电池相比，功率密度提高了两倍。由于便携式计算设备的成功，锂电池价格正在下降。例如，Panasonic-BSG以非常小的硬币形式生产锂电池，容量范围从几mAh到100 mAh（放电率为0.002 C）。 P088-ND电池在30 mm直径和4.2 mm厚的封装中实现了这种高容量，规定可在500小时内提供200μA的电流。与其他二次电池相比，锂离子电池具有较高的内阻。

图3：Panasonic-BSG P088-ND 100-mAh锂纽扣电池。

锂聚合物（通常称为Li-Po）电池是一类特定的锂离子电池，其中电解质保持在聚合物材料中。与标准锂离子电池相比，Li-Po电池可提高给定重量的功率输出。锂聚合物电池对于能量收集具有吸引力，因为它们具有非常高的放电至充电效率（与标准锂离子电池的低于90％相比，大于99％）。但是，虽然锂离子/聚合物化学电池提供了必要的高性能特性，但必须小心处理。例如，如果超过其推荐的浮动电压超过100 mV，则锂离子/聚合物电池会变得不稳定。在为所有锂基二次电池设计充电和放电控制电路之前，应仔细检查制造商的规格。

薄膜二次电池是一类特殊的锂离子电池，其中元件尺寸的减小增加了电极的有效表面积，使制造商能够将更多的活性成分挤压成更小的电池体积。结果显着提高了性能，尤其是在功率和能量密度等级方面。电解质是固态的。

Cymbet是此类细胞的领先制造商之一。电池的大小允许将能量存储分配到集成电路级。 Cymbet电池可作为裸芯片出售，用于IC封装，将电池备份SRAM的旧概念扩展到新的层面。

固态EnerChip薄膜存储单元也可作为标准IC封装的单个单元提供。 Cymbet 859-1009-1-ND（图4）采用QFN封装。在2 C放电率下额定容量为50μAh。即使具有相对高的放电速率和50％的放电深度，薄膜电池在25°C下的额定寿命为1，000个循环。标称电池电压为4.2 V，简化了与各种电子元件的集成。

图4：Cymbet 859-1009-1-ND 50- μAh4.2-V薄膜电池。

固态薄膜电池的另一个独特优势是它们能够在低温下工作。具有液体电解质的常规电池可能冻结甚至破坏其电池盒。随着温度降低，内部电池电阻增加。具有固态电解质，没有电池壳破裂的问题。虽然随着温度的降低仍会使内部电阻增加，但电池会在非常寒冷的条件下继续工作，仍可在-40°C的低温下提供电流。在这种情况下，您可以将电池与需要高电流脉冲的电容器耦合，例如为无线传感器中的无线电发射器供电。

Infinite Power Solutions（IPS）是另一家着名的固态可充电薄膜电池供应商，非常适合蓝牙智能设备和其他无线传感器等自主式自供电应用。其THINERGY微能量电池（MEC）具有接近零的自放电电流，并具有100，000次充电循环，可以延长应用的使用寿命。

IPS THINERGY MEC201（图5）中的活性材料包括锂钴氧化物（LiCoO2）阴极和锂金属阳极。使用称为LiPON（锂磷氮氧化物）的固态电解质; LiPON中的低电子电导率导致非常低的自放电，使得该技术非常适用于能够长时间可靠存储能量而无需再充电的应用。

由于其内部电池电阻低，该器件是仅有极低电流充电源的应用中的能量储存的理想选择;低至1μA的脉冲或连续电流可用于有效地为该设备充电。

图5：在THINERGY MEC201中，正极和负极镀镍标签形式的外部端子位于电池顶部边缘，便于焊接多氯联苯。

总结

根据所收集的能源，负载需求以及各种其他系统设计考虑因素，蓄电池解决方案有很多选择。在目前可用的二次电池化学中，高放电率，低自放电，高能量密度和其他性能特征是非常不同的。将电池特性与能量输入和输出曲线相匹配将提高能量收集系统的性能。始终参考制造商的规格，以优化性能并延长电池的使用寿命。另外，请务必密切注意所有安全准则，以避免在使用可充电电池时发生任何不幸事故。