如果Ilika Technologies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Graeme Purdy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。”

20170616batteries-1 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Elk River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。)

20170616batteries-2 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。”

20170616batteries-3 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。

20170616batteries-4 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。