הביקוש הגדל למקורות כוח מיניאטורי ב-IoT

האינטרנט של הדברים (IoT) עבר מתפיסת נישה לעמוד יסוד של הטכנולוגיה המודרנית. מיליארדים של מכשירים מחוברים – מתרמוסטטים חכמים ועוקבים כושר ועד לחיישנים מתוחכמים ולשתלים רפואיים – עכשיו לאסוף, לעבד ולהעביר נתונים באופן אוטונומי.כל אחד מהמכשירים האלה משתף תלות קריטית: מקור אנרגיה אמין, קומפקטי.

סוללות מסורתיות, כגון תאי מטבע אלקליין, כבר מזמן שימשו יישומים בעלי עוצמה נמוכה.עם זאת, הדרישות של IoT מודרני - תקשורת אלחוטית עקבית, עיבוד על לוח, חישה, ופעולה - דורשות יותר אנרגיה דגני חשמל, קצבי טעינה מהירים יותר, ומחזור חיים ארוכים יותר של פריצות דרך חדשות בחומרים מדעיים ואלקטרוכימיה יצרו דור חדש של מקורות אנרגיה זעירים שהם יותר, בטוח יותר, ומאובטח יותר מאשר אתגרים חדשים של סוללות בעתיד.

טכנולוגיות מפתח נהיגה בחדשנות

סולידריות המדינה Batteries

סוללות מוצקות-מדינה (SSBs) להחליף את הנוזל או ג'ל אלקטרוליט שנמצאו בתאי ליתיום קונבנציונליים עם אלקטרוליט מוצק, בדרך כלל עשוי מקרמיקה, זכוכית, או חומרים המבוססים על sulfide.שינוי בסיסי זה מציע כמה יתרונות קריטיים עבור יישומי IoT. הראשון, צפיפות אלקטרוליטים מוצקה לחסל את הסיכון של דליפה ולהפחית את החיסרון, מה שהופך SSBSBSBScide בטוח יותר, כדי לאפשר את היכולת של כדוריתול באופן דרמטי של 5.

מחקר שנערך לאחרונה ממוסדות כמו FLT:0.U.S המחלקה לאנרגיה אנדרה 1 הוכיח כי SSBs מחזיקים יותר מ 80% יכולת לאחר אלפי מחזורים. חברות כגון FLT:2Illuminated Energy (FOVA3)FLT 3:3) מכוונות כיום SSBs בגודל מטבע עבור טלאים ותיקונים רפואיים, אך אתגרים נשארים בייצור והתנגדות בין מקורות אלקטרו-קרקעיים חזקים ביותר עבור SSBS עדיין נחשבו כמשמעות עוצמה.

Lithium-Polymer (Li-Po) Batteries

סוללות ליתיום-פומריות היו מרכיב מרכזי של אלקטרוניקה ניידת במשך שנים, אבל הזיקוקים האחרונים הפכו אותם אידיאליים למכשירים דיגיטליים עם גורמים לא סדירים מסוגים מסוגים, בניגוד לתאי cylindrical או prismatic, סוללות Li-Po משתמשות בפולימר פולימרט שניתן לארוז במשט דק וגמישט גמיש.

הציפוי אלקטרודה ותוספים אלקטרוליטיים הגבירו את צפיפות האנרגיה של סוללות Li-Po ליותר מ-700 מכשירים Wh / L בחלק מהמוצרים המסחריים.הם גם תומכים בטעינה מהירה ויכולים לספק זרמי הדופק גבוהים עבור התפרצויות שידור אלחוטיות. יצרנים מרכזיים כמו FLT:0MurataFLT:1 עכשיו לייצר תאים אולטרה-F רזה כמו 0.4, המאפשרים שיפור ארוך של מזון, אבל בדרך כלל, כמעט 300 חיידקני, אבל הוא כנראה, אבל הוא רק זמן, 000.

ננונו-חומר אלקטרונים

חומרים מבנים - כגון צינורות פחמן, גרפן, וננווטים סיליקון - הם מהפכה עיצוב אלקטרודה. על ידי הגדלת שטח פני השטח זמין עבור תגובות אלקטרו-כימיות, ננוחומרים מאפשרים סוללות לאחסן יותר מטען תוך צמצום ההתנגדות הפנימית. לדוגמה, FLT:0silicon nanoparticle anodesFLT:1), יכול להחליף גרף מסורתי, המציע עד עשר פעמים תיאורטית של קיבולת משולבת, במקום סוללת אלקטרואטורית של שעות.

חוקרים מאוניברסיטת סטןפורד 1FLT פיתחו אלקטרודה ננוקומה שמקיימת 90% יכולת לאחר 1,000 מחזורים בשיעורי מטען גבוה / דיסוטה. עבור מכשירים IoT הנשען על פעולות חד-שנתיות - כמו חיישן LoRaWAN המעביר נתונים - ביצועים אלה הם בלתי-סבירים.

« סרטים ומיקרו-טריקים

כאשר ממדים של המכשיר מתכווץ לגודל תת-ממדי, אפילו תא מטבע מסורתי הופך להיות גדול מדי. סוללות ⁇ -film, המקובצות באמצעות טכניקות של קידוד ואקום דומות לאלה המשמשים בייצור Semiconductor, הם רק עשרות מיקרומטר עבה. סוללות כאלה ניתן לשלב ישירות על שבב הסיליקון או תת-קרקעי גמיש, המשמש כספק כוח על גבי לוח עבור microsensors, RFID, אבק חכם.

חברות כמו FLT:0) CymbetFLT:1hil ו-FLT:2 Infinite Power SolutionsFLT 3 לייצר סוללות ליתיום פילים דקים עם יכולות החל מכמה מיקרו-מונים לשעה למספר מילימטרים של סוללות אלה הם גמישים מחדש, והם יכולים לעבור עשרות אלפי פעמים ללא השפלה משמעותית, כמו גם חומרים רפואיים נמוכים מאוד, כמו אלה מגבילים אותם, כמו גם חומרים אלה, כמו מגבלות אנרגיה נמוכה מאוד, כמו גם.

תאי דלק ומערכות היברידיות

סוללות הן לא מקור הכוח המיניאטורה היחיד תחת פיתוח.תאים דלק מיקרו, אשר מייצרים חשמל על ידי חמצון דלק (לעתים קרובות methanol או מימן) על זרז, מציעים צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד - באופן תיאורטי עד עשר פעמים של סוללות ליתיום-יון עבור אותו משקל. עבור יישומים שבהם דלק הוא לא מעשי, תא דלק יכול לספק פעילות רציפה לשימוש במשך שנים ספורות.

אבטיפוסים אחרונים מן ה-FLT:0[Fraunhofer InstitutesFLT] 1 הראו תאי דלק זעירים מספיק כדי להתאים בתוך צומת חיישן אלחוטי, אך הטכנולוגיה עדיין מתמודדת עם מכשולים בעלות, טיפול בדלק ויעילות בעוצמה נמוכה.מגמה מתפתחת היא מערכות היברידיות המשלבות סוללה זעירה עם תא או קציר אנרגיה, תוך שימוש בסוללה כדי לטפל בעומסים בזמן מתן כוח חיים נוסף.

ניתוח השוואתי: ביצועים Metrics

בחירת הסוללה הפטרונית הנכונה עבור יישום IoT דורש איזון מספר מדדים מרכזיים:

  • (FLT:0) צפיפות צפיפות (Wh/L או Wh / kg): FLT:1 Solid-state ו סוללות ליתיום-מטאל להוביל כאן, לעתים קרובות מעל 600 סוללות Wh / L. Thin-film, לעומת זאת, עשוי להציע רק 200-300 Wh / L אבל לפצות על זה עם פרופיל נמוך מאוד.
  • (FLT:0) חיי יקל: 1FLT:1 ⁇ -film וכמה סוללות מוצקות של מדינת ישראל יכולות להימשך עשרות אלפי מחזורים, בעוד לי-פו ו- Li-ion קונבנציונלי בדרך כלל נמשך 300-1,000 מחזורים.
  • סוללות מוצקות:0 (FLT:1 סולידריות וסרט דק הם בטוח יותר בשל אלקטרוליטים הלא-מזיקים שלהם. סוללות Li-Po דורשות מעגלי הגנה כדי למנוע סיכונים בתשלום וטיהור יתר.
  • (FLT:0) לכל וואט-שעה: LI-Po מסורתי ו- Li-ion הם הזולים ביותר בקנה מידה (תחת $020/Wh) Solid-state ו-Dead-film נשאר יקר (לעתים קרובות > 1/Wh), הגבלתם ליישומים בעלי ערך גבוה כמו שתלים רפואיים.
  • (FLT:0) גורם גמישות: 1FLT:1 Li-Po וסוללות מודפסות ניתן לעצב כדי להתאים חללים יוצאי דופן; תאים יציבים של מדינתם מוגבלים כיום לתכנון או גיאמטריה prisית.

עבור מעצבים רבים של IoT, הסוללה האידיאלית אינה טכנולוגיה אחת, אלא שילוב של מכשיר לביש עשוי להשתמש בתא Li-Po דק לפעולה רגילה, בתוספת גיבוי של מדינה קטנה מוצקה לשמירה על נתונים קריטיים במצבי שינה נמוכים.

אתגרים עקביים

למרות התקדמות יוצאת דופן, טכנולוגיות סוללות זעירות להתמודד עם כמה מכשולים שיש לטפל בהם לפני שהם יכולים להגיע לפוטנציאל המלא שלהם במכשירי IoT.

גודל לעומת יכולת המסחר-offs

האתגר הבסיסי ביותר הוא שמדפי אחסון אנרגיה עם נפח.כפי שהמכשירים מתכווץ, החלל הזמין לסוללת מתכווץ אפילו מהר יותר.מעצבי IoT מתמודדים לעתים קרובות עם בחירה של מכשיר רזה עם חיי סוללה קצרים או מכשיר גדול יותר עם תוחלת גבוהה יותר. החוקרים חוקרים חוקרים חוקרים בודקים קטודות גבוהות ועיצובים ללא פיגור כדי לדחוף את התקפיפות האנרגיה מעבר ל-1,000 Wh/L, אבל אלה עדיין במעבדה, עד לאופטימיזציה נמוכה של כוח.

בטיחות ושיקום

סוללות מיניאטוריות חייבות לעבור בדיקות בטיחות קפדניות, במיוחד כאשר נעשה שימוש בשתלים או שתלים רפואיים שמלווים את הגוף האנושי.הבריחה המילונית, אם כי נדיר בתאים קטנים, יכול להוביל לשרוף או שריפות.המהלך לכיוון אלקטרוליטים מוצק המדינה מתייחס לכך, אבל התשואה הייצור חייבת לשפר את התקנות כגון UN 38.3 (transport) ו- IEC 621 (בטיחות) דרישות בדיקות מוצרים שיכולים לכלול את עלויות הפיתוח שלהם.

השפעות סביבתיות ומחזוריות

(מיליוני סוללות IoT נזרקים מדי שנה, רבים המכילים ליתיום, קובלט וחומרים אחרים נדירים.מיניסטרציה גורמים להפוך את מחזור קשה כי החומרים מפוזרים והתאים לעתים קרובות מוטבעים במכשירים.פתרונות מיגורים כוללים תכנון-למחזוריות (למשל, תאי סוללה של ריצוף), פיתוח של צ'אבאלים דמויי-קט, ו-Fird:2olated-Flastables) לא עשו שימוש בסוללות אורגניות.

הדרך קדימה: חידושים מתפתחים

העשור הבא מבטיח פריצות דרך שיגרמו סוללות מיניאטורות אפילו יותר מסוגלות ובר קיימא.שלוש מגמות בולטות כבעלות ההשפעה הפוטנציאלית הגדולה ביותר על מכשירים IoT.

אנרגיה קצירת אינטגרציה

במקום להסתמך רק על סוללה, מכשירים עתידיים רבים של IoT ישלב תא אחסון זעיר עם קציר אנרגיה כי מתפתל כוח מן האור, החום, הרטט, או גלי רדיו.תאים Photovoltaic על מכשיר לביש יכול להטעים סוללה מוצקה של מדינת סוללת במהלך היום; מקציני חומצה חשמלית בציוד תעשייתי להמיר רטט לתוך חשמל; גנרטורים חשמליים ללכוד טמפרטורה בתוך בניין טבילה.

הסוללה במערכת היברידית כזו משמשת כ-FLT:0 Energy buvefferFLT:1: היא רשמה אנרגיה לשימוש בתקופות נמוכות של ההארבסט ומספקת התפרצויות של כוח לשידור אלחוטי.חברות כמו FLT:2e-peasFLT 3 עכשיו מציעים ניהול אנרגיה, אשר ביעילות העברת אנרגיה לתוך סוללות מעודנות.

Biodegradable ו bioתואמים Batteries

עבור מכשירים חד-פעמיים חד-פעמיים אשר פרוסים בסביבה (למשל, חיישנים חקלאיים, אריזה חכמה, מסלולי חיות בר), סוללות ליתיום קונבנציונליות מהוות איום אקולוגי אם לא נאספים.סוללות ניתנות למדידה מחומרים טבעיים - כגון צלולוז, pectin, אבץ ומגנזיום - כמו פתרון. סוללות אלה פועלים באופן אמין עבור חיי המכשיר ולאחר מכן decom unilly in Landulose, ים, ים, ים או ים.

דוגמה בולטת לכך היא הסוללה של ההרחבה:0 paper סוללהFcioLT:1 שפותחה על ידי חוקרים מאוניברסיטת מדינת ניו יורק (Binghamton), המשתמשת במצע נייר מודפס וירידה של מים כדי להפעיל.הסוללה מספקת מספיק כוח עבור חיישן גלוקוז או תג RFID במשך כמה ימים, לאחר שהוא מקטין את הטכנולוגיה דומה הוא בקנה מידה עבור לאדבנים חקלאיים כי לפקח על לחות ולאחר מכן לשבור את עונת ה-IoT.

הפקה מתקדמת: הדפסה תלת מימדית ו הדפסה בטריקים

טכניקות ייצור אדקטיות מאפשרות הדפסה מותאמות אישית של סוללות ג'ממות אשר מתאים באופן מושלם את המתחם של המוצר.שימוש ב-FLT:0extrusion מבוסס 3D MPEGFLT:1, החוקרים יצרו אלקטרודות מעודנות הממקסמות את שטח פני השטח בתוך נפח קטן, להגביר את צפיפות החשמל.דפס - מבוצעת על ידי הדפסה מסך או inkjet-printed אלקטרודה על תת-הפחים דלים המיוצרים על פני מצע נמוך הרבה יותר, כמו עלות נייר נמוך.

סוללות מודפסות כבר בשימוש יחידי התאמות רפואיות ותוויתות חכמות, שבו העלות הנמוכה (תחת 010 לתא) וגורם טופס דק (לעתים פחות מ-0.5 מ"מ) הם מכריעים.התפתחויות עתידיות סביר להניח לראות סוללות מודפסות משולבות ישירות על לוחות מעגלים, צמצום עלויות ההרכבה והצלת חלל.האתגר ממשיך להשיג ביצועים עקביים על פני אלפי הדפסים, אך ראיית מכונה ודיוקן משתפרים.

יישומים אמיתיים

ההשפעה של החידושים של סוללות זעירות כבר גלויה על פני מספר תחומים של IoT:

  • (FLT:0) ניטורי בריאות בר קיימא:FLT:1 לפקחי גלוקוז רציף (CGMs) ו שעונים חכמים מסתמכים על סוללות Li-Po דקות שנמשכות 7-14 ימים בין ההאשמות.הדור הבא תאי מצב מוצק יכול להאריך את זה עד 30 ימים תוך הקטנת גודל המכשיר.
  • (FLT:0Medical Implants:FLT:1PSKmakers, נוירוסנסלרטורים, וחיישנים לחץ עבור DrDeramus להשתמש סוללות פילים דקים כי 5-10 שנים האחרונות עיצובים ביולוגיים לא עולים בקנה אחד הם מאפשרים משאבות סמים מותאמים לחלוטין ומריצים עצביים.
  • (FLT:0) אורגניזמים של Soil המדיקים לחות, pH וחומרי מזון מונעים על ידי סוללות אבץ פחמן שניתן לטבול לאחר עונת הקציר, ובכך מבטלים את הצורך בריוול.
  • (FLT:0)Industrial IoT: FLT:1 Vibration וחיישנים טמפרטורה על מכונות ממוקמים לעתים קרובות במקומות קשים ל-reach. Micro דלק תאים היברידיות מאנרגיה מבטיח כעת "תקנה ושכח" פעולה במשך יותר מ -10 שנים.
  • (FLT:0) Packaging:0) חכם Packaging:FLT:1; Batteries מודפס על תגי טמפרטורה גמישים לטמפרטורת חשמל עבור תרופות מזון מתכל, הבטחת תאימות שרשרת קר במחיר מינימלי.

כל יישום מטיל מגבלות משלו על גודל, אנרגיה, בטיחות ועלות.מגוון טכנולוגיות סוללות זעירות - ממדינת מוצק להדפסה, מחיוב ל חד פעמי - מבטיח כי יש פתרון כוח כמעט לכל מקרה שימוש ב-IoT.

מסקנה

טכנולוגיות סוללות מיניאטוריות מתפתחות במהירות כדי לענות על הצרכים של כוח מעורר של עולם מחובר. סוללות סולידריות-מדינה מבטיח בטיחות גבוהה צפיפות אנרגיה, סוללות פיל-סרט דק מאפשר מכשירים בקנה מידה שבב, וננו-חומרים אלקטרודות מאיצים את הטעינה. אתגרים של עלות, השפעה סביבתית, וגודל-capacity-offs-offs-offs-offs-offs-offs-offs-out-b-up-upitances-up-up-up-up-up-up-up-upitances-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up