固态电池力图碾压锂离子电池

如果IlikaTechnologies公司(英国南安普敦市南安普敦大学科技园)能够实现其自供电系统级芯片(SoC)的梦想，电池将从进展最慢的技术转变为发展最快的先进技术。

 

通过消除世界上所有其他电池技术(尤其是易燃的锂离子电池)的液体核进入到SoC的固态微米薄层中，电子电路中的每个芯片都可以变成自供电的，从而简化了印刷电路板设计，去除了目前所需的大电源。

Ilika的固态电池现在覆盖全温度范围(从-40℃到+150℃)，使其可用在汽车、工业物联网(IoT)和其他恶劣环境。

ARM和Ilika已经在合作研制自供电的系统级芯片信标(beacon)，它介于可穿戴应用和用于对牲畜进行准确监测的工业IoT应用两者之间。

“我们的固态电池现在可以适应各种规模和操作环境。”在Ilika发布其扩展温度范围的固态电池之前，Ilika的首席执行官GraemePurdy对笔者表示，“例如，丰田是我们最早的合作伙伴之一，他们8年来一直资助我们的固态电池研发，并提出了一系列解决方案对方案进行扩展，以生产电动汽车用的大电池。但他们也在筛选我们的材料，帮助将其缩小到芯片尺寸大小。到2025年，我们预测它们将会投入生产。”

 

图1：全部相同的成分(阳极、阴极、电解质)都被使用但被堆叠在固态芯片上，以降低成本并延长受电设备的续航时间。

从易燃锂离子电池向不可燃固态电池的转变不会发生在一夜之间。事实上，Purdy预测，使用固态电池的第一批量产的最终用户产品大约要到2019年面世。第一批进入市场的产品可能会使用独立式固态电池。

然而，一旦摆平所有问题，使用太阳能和振动能量采集的可充电固态电池，以及“充电一次就不用再管的”10年寿命的固态电池供电产品，可能成为准则、标配而非例外。(位于明尼苏达州ElkRiver的Cymbet公司目前为其250mm2的固态电池提供开发套件，这款电池有可能更早进入市场。)

 

图2：可充电模块(右)可以具有背面集成的光伏电池(中间、直立的)，不断为固态电池(左侧、直立的)充电，用于现场无限期的使用寿命，这里是用于温度传感器。

“我们的固态电池基于锂离子技术，但是不仅具有固态安全性，能量密度还是后者的两倍;用户能以比液态锂离子电池快6倍的速度充电固态电池，固态电池充电只要15分钟，而不是1到1.5小时。”Purdy告诉笔者。

“就我们与丰田的关系，我们共同拥有适用于电动汽车的大电池的专利，但Ilika完全拥有小电池专利。”Purdy说，“我们的专利覆盖三个方面：与常规锂离子相比所用的复合材料;其次，蒸发工艺(而非箔上油墨印刷用的粉末)申请了专利，我们以400℃进行蒸发;第三，我们申请了架构以及组合不同成分方法的专利。”

 

图3：完整的物联网(IoT)设备可与其固态电池(这里是在一块子板上)集成，或者甚至可以集成在同一个系统级芯片(SoC)上，就供电可穿戴设备来说，可以工作10年。

根据Purdy的说法，固态电池的关键是使用硅阳极，它不需要液体电解质，相对环境更容易集成;即使部分暴露，与液态电解质锂离子电池相比，对空气和水分的反应也较弱。

Purdy称手头上已经有使用扩展温度范围IP的许可证可以向工业IoT制造商发放，而对于消费品制造商，则是有正常温度范围IP的许可证可以发放。事实上，Ilika的商业模式是绝不会与其被授权客户发生竞争，而是证明其技术概念，提供设计服务和示例应用。

 

图4：大批量订购时，满布固态电池的晶圆使其制造具有可扩展性和成本效益。

Ilika还为使用其授权IP来构建自家芯片的客户审核了几家代工厂，包括台积电(TSMC)。但该公司称，任何惯常处理化合物半导体(如GaAs、SiC、GaN或OLED)的代工厂都可以制造其固态电池。例如，夏普公司欧洲实验室正在使用Ilika的IP开发自主的能量采集电源。