随着环境相关的法规不断变化,加上世界各地的政府机构,尤其是在VARTA总部所在的德国,都在大力推动可持续生活,我们看到了包括可穿戴设备、电子消费品、助听器等便携式产品的强劲发展趋势,正在从一次性使用转向可充电循环使用。
你或许还记得二、三十年前的笔记本电脑、手机和相机产品的巨大尺寸。在大多数情况下,电池的大小才真正决定了这些设备的尺寸。如今,我们有大量的可穿戴技术,也主要得益于不断发展的可充电电池技术,特别是在锂离子化学领域,使得可充电电池的尺寸越来越小。

目前,锂离子电池主要有三种形式:圆柱形、软包式和扣式。出于尺寸和重量的考虑,可穿戴产品更多地适用于软包电池和扣式电池。因此,设计师们面临着一个问题——究竟哪种电池更适合自身的产品设计?这就是我们今天要尝试回答的问题。
我们先厘清一下客户的期望,包含四个最重要的因素:使用安全、性能强劲、质量可靠、设计紧凑。

我们首先来考察软包电池和扣式电池各自的主要优势,考察对象产品集中在10到200毫安时的功率容量范围。
软包电池设计轻薄,具备一定的灵活性,其中一些电池还加装了电路保护装置。扣式电池则由坚固的不锈钢外壳包裹,通常具有更高的能量密度和优越的过充电稳定性。
其次,我们从机械设计方面来看两类电池对终端产品设计的影响。软包电池的优势之一是轻巧的铝箔外壳,但这种柔性铝材料很容易在设备掉落或被剐蹭时遭受损坏。而锂离子扣式电池的不锈钢外壳结构则消除了许多此类损坏风险。软包电池的设计特性使其在封装时需要额外的空间,这块区域内不能包含任何活性物质,也将在终端产品内部留下很大的冗余空间。
而VARTA独家专利的CoinPower电池,使用了超薄箔封技术,最大限度地减少了占用空间,为活性材料留出更多空间,从而实现更高的体积能量密度。
另外一点是电池鼓包。由于锂离子的迁移,锂电极在充电时会膨胀,这种气体也是由于电化学反应而形成的。在扣式电池中,电极膨胀受到坚固的不锈钢外壳材料的限制,而在软包电池中,电极膨胀则不受限制。鼓胀的电池会对周围的组件和设备施加压力,从而增加终端产品前期故障的风险。因此,扣式电池的设计使得开发更紧凑、更坚固的设备成为可能。
再次,是电气工程方面的考虑。如前所述,电极在充电或放电时会膨胀。在软包电池中,因为使用了柔性软包材料,使得叠式电极可以在电池内部相对移动,从而导致阳极和阴极之间的错位。当这种错位情况发生时,来回传输的能量会随之减少,这意味着从电池中输出和储存的容量会降低。这里需要提及的是,并不是所有的扣式电池都是以同样的方式制造的,一些扣式电池制造商也使用类似软包电池的叠式电极配置。
另一方面,VARTA使用的是卷绕式电极,这种焊接电极与圆柱形电池类型类似,由于周围有稳定的不锈钢外壳,无法在内部移动。因此,当在循环过程中出现偏差时,软包电池的容量退化通常比扣式电池更为明显。
就功率容量方面,也就是电池阻抗方面来说,叠式电极和卷绕电极配置之间实际上没有太大的差异,基本都能满足小型设备必要的放电率。总之,配置了稳固电极的扣式电池能够赋能开发出更持久、更可持续的产品。
最后谈谈对用户至关重要的安全考虑。
在电池滥用条件下,例如过度充电,电池会产生过量气体。在这种情况下,软包电池由于没有设计泄压机制,通常会失控破裂。因为软包电池四周都是密封的,因此,这类电池通常会降低充电限制电压。同时为了确保电池无法逾越已经降低的电压限制,设计时必须考虑多种安全措施。此外,在终端产品抽检过程中,大意操作也可能导致软包电池上出现压力痕迹,对软包内部产生影响,增加析锂风险。析锂是充电过程中在阳极表面形成的金属锂,会产生极高的危害风险,可能导致火灾甚至爆炸。
而对于扣式电池来说,由于使用了不锈钢外壳,没有这点担忧,但在前面提到的过度充电的场景下仍然会带来风险。VARTA的扣式电池拥有一系列独家专利的安全设计,可以最大程度规避此类风险。
首先,VARTA的扣式电池上配置了泄压机制,设计了多个通气孔,并在电池外壳上预先钻好。在正常状态下,这些孔隙处于被覆盖的状态。但是,当内部压力超过预先设计的限制时,外壳部件会分离,从而打开孔隙释放压力。
其次,我们还有独家专利的电流中断装置。当外壳部件分离时,该装置将断开并终止充电器和电极之间的连接。它会阻止电流输入电池,减缓气体生成,从而阻断增压。这两项功能确保了系统的安全故障,而不会对最终用户造成任何伤害。总之,VARTA CoinPower 扣式电池使开发更安全、更可靠的产品成为可能。