Растущий спрос на миниатюрные источники энергии в IoT

Интернет вещей (IoT) перешел от нишевой концепции к фундаментальной опоре современных технологий. Миллиарды подключенных устройств — от умных термостатов и фитнес-трекеров до промышленных датчиков вибрации и медицинских имплантатов — теперь собирают, обрабатывают и передают данные автономно. Каждое из этих устройств разделяет критическую зависимость: надежный, компактный источник питания. По мере того, как устройства уменьшаются в размерах и умножаются в количестве, батарея становится наиболее ограниченным компонентом. Она должна обеспечивать достаточную энергию в течение месяцев или лет без добавления избыточного веса или объема, и она должна делать это безопасно и экономически эффективно. Эволюция миниатюрных аккумуляторных технологий, следовательно, является не только инженерной задачей, но и привратником для всей экосистемы IoT.

Традиционные батареи, такие как щелочные монетные ячейки, уже давно служат приложениям с низким энергопотреблением. Однако требования современного IoT - непрерывная беспроводная связь, бортовая обработка, зондирование и приведение в действие - требуют более высокой плотности энергии, более быстрой скорости перезарядки и более длительного срока службы. Недавние прорывы в материаловедении и электрохимии привели к созданию нового поколения миниатюрных источников питания, которые меньше, безопаснее и эффективнее, чем когда-либо прежде. В этой статье рассматриваются самые значительные достижения в технологиях миниатюрных батарей, проблемы, которые остаются, и будущие инновации, которые расширят возможности следующей волны устройств IoT.

Ключевые технологии аккумуляторов, способствующие инновациям IoT

Твердотельные батареи

Твердотельные батареи (ТБС) заменяют жидкий или гелевый электролит, найденный в обычных литий-ионных элементах, твердым электролитом, обычно изготовленным из керамических, стеклянных или сульфидных материалов. Это фундаментальное изменение предлагает несколько преимуществ, критически важных для приложений IoT. Во-первых, твердые электролиты устраняют риск утечки и уменьшают воспламеняемость, что делает SSB по своей сути более безопасными. Во-вторых, они позволяют использовать анод лития, который резко увеличивает плотность энергии - потенциально , удваивая емкость жидко-электролитной батареи аналогичного размера. Для датчика IoT, который должен работать в течение пяти лет на одном заряде, это улучшение плотности является преобразующим.

Недавние исследования, проведенные такими учреждениями, как Министерство энергетики США, продемонстрировали, что SSB поддерживают более 80% мощности после тысяч циклов. Такие компании, как FLT:2, теперь нацелены на SSB размером с монету для носимых устройств IoT и медицинских патчей. Однако проблемы остаются в стоимости производства и межфазной устойчивости между твердым электролитом и электродами. Тем не менее, SSB широко считаются наиболее перспективным кандидатом для миниатюрных источников питания следующего поколения.

Литий-полимерные (Li-Po) батареи

Литий-полимерные батареи были основным продуктом портативной электроники в течение многих лет, но недавние усовершенствования сделали их идеальными для устройств IoT с нерегулярными форм-факторами. В отличие от жестких цилиндрических или призматических ячеек, батареи Li-Po используют полимерный электролит, который может быть упакован в тонкие, гибкие мешочки. Это позволяет разработчикам устройств заполнять неиспользуемое пространство внутри продукта — например, изгибаясь вокруг круглого лица смарт-часов или встраиваясь в тонкий медицинский пластырь толщиной всего несколько миллиметров.

Достижения в области электродных покрытий и электролитных добавок увеличили плотность энергии Li-Po батарей до более 700 Втч / л в некоторых коммерческих продуктах. Они также поддерживают быструю зарядку и могут доставлять высокие импульсные токи для всплесков беспроводной передачи. Крупные производители, такие как Murata , теперь производят ультратонкие Li-Po ячейки толщиной 0,4 мм, что позволяет устройствам IoT оставаться практически бумажными. Срок службы батареи Li-Po обычно составляет 300-500 циклов зарядки, что приемлемо для потребительских устройств, но может потребоваться улучшение для промышленных датчиков длительного срока службы.

Наноматериальные электроды

Наноструктурированные материалы, такие как углеродные нанотрубки, графен и кремниевые нанопровода, революционизируют конструкцию электродов. Увеличивая площадь поверхности, доступную для электрохимических реакций, наноматериалы позволяют батареям хранить больше заряда при одновременном снижении внутреннего сопротивления. Например, аноды кремниевых наночастиц могут заменить традиционный графит, предлагая до десяти раз теоретическую емкость. В сочетании с продвинутыми электролитами эти аноды позволяют миниатюрным батареям заряжаться за минуты, а не часы.

Исследователи из Стэнфордского университета разработали нанокомпозитный электрод, который поддерживает 90% мощности после 1000 циклов с высокой скоростью заряда / разряда. Для устройств IoT, которые полагаются на случайные высокоточные операции — такие как датчик LoRaWAN, передающий данные — эта производительность бесценна. Основная проблема заключается в масштабировании производства наноматериалов при сохранении низких затрат, но пилотные производственные линии в настоящее время появляются в Азии и Европе.

Тонкий фильм и микробатарейки

Когда размеры устройства сжимаются до субцентриметрового масштаба, даже традиционная монетная ячейка становится слишком громоздкой. Тонкие пленочные батареи, изготовленные с использованием методов вакуумного осаждения, аналогичных тем, которые используются в производстве полупроводников, имеют толщину всего в десятки микрометров. Такие батареи могут быть интегрированы непосредственно на кремниевый чип или гибкую подложку, служа бортовым источником питания для микросенсоров, RFID-меток и умных пылевых мотов.

Такие компании, как Cymbet и Infinite Power Solutions, производят тонкопленочные литиевые батареи емкостью от нескольких микроампер-часов до нескольких миллиампер-часов. Эти батареи перезаряжаются и могут быть проработаны десятки тысяч раз без существенной деградации. Их твердотельная конструкция также делает их безопасными для медицинских имплантатов, таких как кардиостимуляторы и нейростимуляторы. Ограничение — низкое общее накопление энергии, которое ограничивает их устройствами с очень низкими энергобюджетами, такими как те, которые проводят большую часть своей жизни в режиме глубокого сна.

Микротопливные элементы и гибридные системы

Батареи не являются единственным миниатюрным источником энергии в стадии разработки. Микротопливные элементы, которые генерируют электричество путем окисления топлива (часто метанола или водорода) на катализаторе, предлагают чрезвычайно высокую плотность энергии - теоретически до десяти раз больше, чем у литий-ионных батарей для того же веса. Для приложений IoT, где заправка непрактична, топливный элемент может обеспечить непрерывную работу в течение многих лет с использованием небольшого топливного картриджа.

Недавние прототипы из Института Фраунгофера продемонстрировали микротопливные элементы, достаточно маленькие, чтобы поместиться внутри беспроводного сенсорного узла. Однако технология по-прежнему сталкивается с препятствиями в стоимости, обращении с топливом и эффективности при низкой мощности. Нарождающейся тенденцией являются гибридные системы, которые объединяют миниатюрную батарею с топливным элементом или сборщиком энергии, используя батарею для обработки пиковых нагрузок, в то время как топливный элемент обеспечивает базовую мощность. Этот подход может продлить срок службы устройства в три или более раза.

Сравнительный анализ: показатели эффективности

Выбор правильной миниатюрной батареи для приложения IoT требует балансировки нескольких ключевых показателей:

  • Плотность энергии (Wh/L или Wh/kg): Твердотельные и литий-металлические батареи приводят сюда, часто превышающие 600 Втч/л. Тонкие пленочные батареи, напротив, могут предлагать только 200-300 Втч/л, но компенсируют это очень низким профилем.
  • Срок службы цикла: Тонкие пленки и некоторые твердотельные батареи могут длиться десятки тысяч циклов, в то время как Li-Po и обычные Li-ion обычно длятся 300-1000 циклов. Для одноразовых датчиков IoT срок службы цикла не имеет значения; для перезаряжаемых носимых устройств это имеет решающее значение.
  • Безопасность: Твердотельные и тонкопленочные батареи по своей природе более безопасны из-за их невоспламеняющихся электролитов. Ли-По батареи требуют защитной схемы для предотвращения перезарядки и прокола рисков.
  • Стоимость за ватт-час: Традиционные Li-Po и Li-ion являются самыми дешевыми по масштабам (менее $0,20/Втч). Твердотельные и тонкие пленки остаются дорогими (часто >$1/Втч), ограничивая их высокоценными приложениями, такими как медицинские имплантаты.
  • Гибкость форм-фактора: Li-Po и печатные батареи могут быть сформированы так, чтобы соответствовать необычным пространствам; твердотельные элементы в настоящее время ограничены плоской или призматической геометрией.

Для многих разработчиков IoT идеальная батарея — это не одна технология, а комбинация. Носимое устройство может использовать тонкий Li-Po ячейку для регулярной работы, дополненную крошечным твердотельным резервным копированием для критического хранения данных в режимах сна с низким энергопотреблением.

Преодоление постоянных вызовов

Несмотря на значительный прогресс, технологии миниатюрных батарей сталкиваются с рядом препятствий, которые необходимо устранить, прежде чем они смогут полностью реализовать свой потенциал в устройствах IoT.

Размер vs. Сделки по мощности

Самая фундаментальная проблема заключается в том, что масштабы хранения энергии с объемом. По мере сокращения устройств доступное пространство для батареи сокращается еще быстрее. Разработчики IoT часто сталкиваются с выбором между тонким устройством с коротким временем автономной работы или более громоздким устройством с приемлемым сроком службы. Исследователи изучают высоковольтные катоды и конструкции без анода, чтобы вытолкнуть плотность энергии за пределы 1000 Втч / л, но они все еще находятся в лаборатории. До тех пор оптимизация бюджета мощности - через чипсеты с низким энергопотреблением и дежурный цикл - остается необходимой.

Безопасность и соблюдение нормативных требований

Миниатюрные батареи должны пройти строгие тесты безопасности, особенно при использовании в носимых устройствах или медицинских имплантатах, которые контактируют с человеческим телом. Тепловой бег, хотя и редкий в небольших клетках, может привести к ожогам или пожарам. Переход к твердотельным электролитам решает эту проблему, но производительность производства должна улучшиться. Кроме того, такие правила, как ООН 38.3 (транспорт) и IEC 62133 (безопасность), налагают требования к тестированию, которые могут задержать запуск продукта. Компании должны включать затраты на соблюдение в свои сроки разработки.

Воздействие на окружающую среду и переработка

Миллионы IoT-аккумуляторов выбрасываются каждый год, многие из которых содержат литий, кобальт и другие дефицитные материалы. Миниатюрные форм-факторы затрудняют переработку, потому что материалы диспергированы, а клетки часто встраиваются в устройства. Новые решения включают в себя проектирование для переработки (например, выключенные аккумуляторные отсеки), разработку катодов без кобальта и биоразлагаемые батареи , изготовленные из целлюлозы или органических полимеров. Исследовательские группы в ETH Zurich продемонстрировали биоразлагаемую цинк-ионную батарею, которая разрушается в почве после использования, не оставляя токсичных остатков.

Путь вперед: новые инновации

Следующее десятилетие обещает прорывы, которые сделают миниатюрные батареи еще более способными и устойчивыми. Три тенденции выделяются как имеющие наибольшее потенциальное влияние на устройства IoT.

Интеграция энергосбережения

Вместо того, чтобы полагаться исключительно на батарею, многие будущие устройства IoT будут сочетать крошечную ячейку хранения с энергоуборщиком, который поглощает энергию окружающей среды от света, тепла, вибрации или радиоволн. Фотоэлектрические элементы на носимом устройстве могут просачиваться, заряжая твердотельную батарею в течение дня; пьезоэлектрические комбайны в промышленном оборудовании преобразуют вибрацию машины в электричество; термоэлектрические генераторы захватывают температурные градиенты внутри здания.

Батарея в такой гибридной системе служит буфером энергии : она хранит собранную энергию для использования в периоды низкой урожайности и обеспечивает всплески мощности для беспроводной передачи. Такие компании, как e-peas , теперь предлагают ИС управления энергией, которые эффективно передают собранную энергию в миниатюрные перезаряжаемые батареи. По мере повышения эффективности комбайна и снижения скорости саморазряда батареи, действительно самоподдерживающиеся датчики IoT — никогда не требующие замены батареи — становятся реальностью.

Биоразлагаемые и биосовместимые батареи

Для одноразовых IoT-устройств, которые развернуты в окружающей среде (например, сельскохозяйственные датчики, интеллектуальная упаковка, трекеры дикой природы), обычные литиевые батареи представляют экологическую угрозу, если их не собрать. Биоразлагаемые батареи, изготовленные из натуральных материалов, таких как целлюлоза, пектин, цинк и магний, предлагают решение. Эти батареи надежно работают в течение срока службы устройства, а затем безвредно разлагаются на свалке, морской воде или компосте.

Заметным примером является бумажная батарея , разработанная исследователями из Государственного университета Нью-Йорка (Бингемтон), которая использует печатную бумажную подложку и каплю воды для активации. Батарея обеспечивает достаточную мощность для датчика глюкозы или RFID-метки в течение нескольких дней, после чего она деградирует. Аналогичная технология масштабируется для сельскохозяйственных узлов IoT, которые контролируют влажность почвы, а затем разрушаются после вегетационного периода.

Передовое производство: 3D-печать и печатные батареи

Методы аддитивного производства позволяют настраивать геометрию батареи, которая идеально подходит для корпуса продукта. Используя 3D-печать на основе экструзии , исследователи изготовили межцифровые электроды, которые максимизируют площадь поверхности в небольшом объеме, повышая плотность мощности. Печатные батареи, изготовленные с помощью слоев экранной печати или струйной печати электродов на тонкой подложке, могут быть изготовлены в рулонах по низкой цене, так же, как печать газеты.

Печатные батареи уже используются в одноразовых медицинских патчах и интеллектуальных этикетках, где низкая стоимость (менее $0,10 за ячейку) и тонкий форм-фактор (часто менее 0,5 мм) являются решающими. Будущие разработки, вероятно, увидят печатные батареи, интегрированные непосредственно на печатные платы, снижая затраты на сборку и экономя пространство. Задача по-прежнему заключается в достижении согласованной производительности в тысячах отпечатков, но машинное зрение и точное осаждение улучшают выходы.

Реальные приложения

Влияние миниатюрных аккумуляторов уже заметно в нескольких областях IoT:

  • Носимые мониторы здоровья: Непрерывные мониторы глюкозы (CGM) и умные часы полагаются на тонкие батареи Li-Po, которые служат 7-14 дней между зарядами. Твердотельные ячейки следующего поколения могут продлить это до 30 дней при уменьшении размера устройства.
  • Медицинские имплантаты: Пейсмейкеры, нейростимуляторы и датчики давления для глаукомы используют тонкопленочные батареи, которые служат 5-10 лет. Новые биосовместимые конструкции позволяют полностью имплантировать лекарственные насосы и нервные стимуляторы.
  • Умное сельское хозяйство: Почвенные датчики, которые измеряют влагу, рН и питательные вещества, питаются от печатных цинко-углеродных батарей, которые могут биоразлагаться после сезона сбора урожая, устраняя необходимость в поиске.
  • Промышленные IoT: Датчики вибрации и температуры на машинах часто расположены в труднодоступных местах. Микротопливные элементы и гибриды, собирающие энергию, теперь обещают «установить и забыть» работу более 10 лет.
  • Умная упаковка: Батареи, напечатанные на гибких подложках, маркируют температуру энергозатрат для фармацевтических препаратов и скоропортящихся продуктов питания, обеспечивая соответствие холодильной цепи при минимальных затратах.

Каждое приложение накладывает свои собственные ограничения на размер, энергию, безопасность и стоимость. Разнообразие технологий миниатюрных батарей - от твердотельных до печатных, от перезаряжаемых до одноразовых - гарантирует, что есть решение для питания почти для каждого случая использования IoT.

Заключение

Технологии миниатюрных батарей быстро развиваются, чтобы удовлетворить ненасытные потребности в энергии подключенного мира. Твердотельные батареи обещают более высокую безопасность и плотность энергии, тонкопленочные батареи позволяют устройствам масштаба чипа и электродам с усиленным наноматериалом ускорять зарядку. Проблемы стоимости, воздействия на окружающую среду и компромиссов между размером и емкостью сохраняются, но инновации в производстве, биоразлагаемости и сборе энергии обеспечивают четкие пути вперед. Для разработчиков IoT и менеджеров продуктов оставаться в курсе этих достижений не является факультативным - это конкурентная необходимость. Устройство, которое работает в два раза дольше на полуразмерной батарее, победит на рынке. По мере того, как технологии, описанные здесь, созревают, граница между тем, что возможно, и тем, что практично, будет продолжать сокращаться.