Největší výzvou moderní elektroniky je efektivní získávání a skladování energie. Jako odpověď na takové potřeby trhu vyvinula firma Nichicon, japonský lídr v oblasti kondenzátorů, malé baterie řady SLB: lithium-iontové články s lithium-titanovou elektrodou. Jsou to inovativní, miniaturní články, které se vyznačují nadprůměrnou kapacitou a životností.
V tomto článku se budeme zabývat tématy, jako:
- Čím se se liší malé baterie SLB od konkurenčních řešení?
- Nabíjecí faktor a jednotka C
- Rozšířené pracovní parametry článků Nichicon
- Teorie a praxe technologie energy harvesting
Internet věcí, neboli IoT technologie, je s námi už léta. Ačkoli si mnozí uživatelé těchto zařízení možná ani neuvědomují, kolik pohodlí jim přináší malá a energeticky účinná zařízení, která provádějí složitá měření a výpočty v našem každodenním prostředí. Umožňují shromažďovat přesná data o silničním provozu, počasí, kvalitě ovzduší ve městech, našem zdravotním stavu – zlepšují spedici kurýrních zásilek, kompletaci objednávek ze skladů, silniční, železniční, a dokonce i leteckou dopravu – a navíc zajišťují bezpečnost v našich domovech a na pracovišti. A to vše předtím, než se dostaneme k přednostem zařízení typu smart: senzorů pohybové aktivity, automatizace domácnosti atd. Všechny tyto technologie jsou založeny na energeticky účinných bezdrátových komunikačních systémech na bázi modulů Bluetooth BLE nebo LoRa, napájených miniaturizovanými, ale účinnými zdroji energie.
Právě v oblasti mobilních metod napájení dochází v současné době k technologické revoluci. Ještě donedávna nebyly hlavní brzdou pokroku možnosti integrovaných obvodů – ale techniky jejich zásobování dostatečným množstvím energie. Mezi nejmodernějšími metodami jejího ukládání vynikají miniaturní řešení, která se používají ve vzdálených senzorech nebo osobních zařízeních typu wearable. Na světových trzích jsou k dispozici stovky produktů určených pro tyto aplikace, ale jen málo z nich se vyrovná parametrům nabízeným lithium-iontovými bateriemi (se zápornou elektrodou vyrobenou lithium-titanovou technologií) Nichicon, seskupenými do řady SLB. Jsou založeny na technologii SCiB™, vyvinuté společností Toshiba, která se používá hlavně k výrobě vysokoproudých úložišť energie. V miniaturizované podobě, kterou dodává společnost Nichicon, si zachovávají své vynikající elektrické parametry, jsou však uzavřeny v pouzdrech o velikosti malého elektrolytického kondenzátoru.
Japonský dodavatel, který se specializuje na výrobu komponentů pro napájecí a zesilovací systémy, zařadil řadu SLB do své nabídky pro výrobce přenosných zařízení, průmyslových senzorů a spotřebního zboží. Tyto akumulátory umožňují maximalizovat účinnost skladování energie v malých systémech napájených tradičně nebo pomocí tzv. metod energy harvesting.
Technologické výhody miniaturních baterií řady SLB
Miniaturní články řady SLB ve srovnání s velikostí běžné propisky.
Než se zaměříme na možnosti, které akumulátory řady SLB nabízejí, podívejme se na jejich vlastnosti. Ve srovnání se standardními řešeními, jejichž příkladem může být průměrný článek formátu 18650, vynikají produkty Nichicon prakticky ve všech oblastech. Jsou navrženy tak, aby splňovaly vysoké nároky nejen na rozměry, ale také na elektrické parametry a fyzickou pevnost.
Dlouhá životnost a bezpečnost
SLB články nabízejí životnost na úrovni 25 tis. cyklů nabíjení/vybíjení. Díky tomu mohou být použity v obvodech, do nichž je vnější energie dodávána nepravidelně, periodicky nebo dokonce sporadicky. Mohou to být například zařízení, která využívají fotovoltaické panely nebo miniaturní větrné turbíny nebo spotřební výrobky, které se v nabíječce umísťují pouze tehdy, když je to pro uživatele výhodné. Vícenásobné dobíjení baterie během dne (např. způsobené oblačností nebo proměnlivým větrem) nemá významný vliv na možnost ukládání energie do SLB článků.
Intenzita nabíjecího a vybíjecího proudu
Za povšimnutí stojí možnosti miniaturních lithium-titanových baterií. Jejich nabíjecí / vybíjecí proud dosahuje koeficientu 20C, tedy dvacetinásobku kapacity akumulátoru děleno 1h. To znamená, že u modelu SLB12400L1511CV (150 mAh) může být intenzita dodávaného a odebíraného proudu až 150 mA * 20 = 3 A. Při nabíjení s takovými parametry dojde k úplnému nabití článku energií po pouhých 3 minutách. A naopak: akumulátor může během krátké doby dodat velký proud, např. pro zapnutí osvětlení/alarmu, odeslání zprávy pomocí rádiového modulu s velkým dosahem atd. V kombinaci s dlouhou životností tato vlastnost umožňuje konstruovat zařízení, která budou: (a) nabíjeny pouze periodicky (při údržbě, při odečtu hodnoty měřidla), přičemž akumulovaná energie se denně využívá úsporně; (b) nebo nabíjeny postupně, např. pomocí malého solárního článku, ale za určitých podmínek jsou schopné aktivovat nejen elektronické obvody, ale i elektromechanické prvky, jako jsou servopohony, elektroventily apod.
Odolnost vůči podmínkám prostředí
Jak jsme již naznačili, mnoho aplikací, ve kterých se články řady SLB používají a budou používat, je spojeno s obtížnými podmínkami prostředí. To platí jak pro dálkové senzory používané v zemědělství, tak i ve spotřebních zařízeních typu wearable,, tedy elektronika nošená na těle, jako jsou lékařské náramky, lokalizační štítky či hodinky typu smart watch. Proto je obzvláště důležitou vlastností akumulátorů společnosti Nichicon jejich tepelná tolerance. Tyto výrobky mohou pracovat bez obtíží při teplotách od -30 °C do 60 °C. Navíc i v případě překročení těchto parametrů, se výrobky vyznačují velmi nízkou pravděpodobností výskytu poruchy, spontánního vznícení či výbuchu. Tato vlastnost bude obzvláště důležitá pro výrobce spotřebních zařízení.
Energy harvesting, je čas naplnit Teslův sen
Jedním z nejpopulárnějších příběhů o počátcích elektroniky je projekt Nikoly Tesly: velkokapacitní síť, jejímž cílem by bylo bezdrátově distribuovat elektřinu. A přestože projekt nikdy nepřekročil fázi demonstračního prototypu, kterou bychom dnes nazvali proof of concept, moderní technologie do jisté míry legitimizují koncept srbského vynálezce. V době energeticky úsporných obvodů typu IoT (Internet of Things), se konstrukce zařízení napájených „ze vzduchu“ již nejeví jen jako sen.
Technologie seskupené pod pojmem energy harvesting zahrnují řadu metod získávání malého množství energie z životního prostředí. Patří mezi ně „klasická“ řešení, jako jsou fotovoltaické články a větrné turbíny, ale také méně konvenční techniky. Kromě pohybu způsobeného atmosférickými jevy může být zdrojem energie prakticky jakýkoliv průtok plynů a kapalin, vyskytující se např. ve vodovodním potrubí, kanalizačním potrubí, ale i v blízkosti silnic nebo v klimatizačních kanálech. K agregaci energie se také používá piezoelektrika, díky níž je napětí generováno proměnným tlakem (např. na chodníky nebo na vozovky). Spolu s vývojem technologie IoT se také stále více používají termoelektrické zdroje založené na Peltierově jevu, které využívají teplotní rozdíly (např. mezi atmosférou a termálním pramenem, teplým vodovodem, a dokonce i lidským tělem) k vytváření malých elektrických proudů. Malých, ale dostačujících pro napájení např. Bluetooth modulů typu BLE. Nakonec je třeba zmínit metodu, která je Teslově myšlence nejblíže: získávání energie z rádiových vln. RF harvesting využívá jako zdroj energie všudypřítomné rádiové signály (WiFi, TV, a dokonce i satelitní signály).
Akumulátory Nichicon SLB poskytují parametry, které jsou ideální pro potřeby zařízení využívajících technologie energy harvesting. Lze je totiž nabíjet nejen velmi vysokými, ale i velmi nízkými proudy (u modelu SLB03070LR351BS je to 3,5 μA), mohou být implementovány v obvodech využívajících výše uvedená řešení. To znamená vytvořit zcela nový typ elektronických zařízení – soběstačných. To dále znamená obrovské úspory související s omezenými potřebami konstrukce napájecí a údržbové infrastruktury, jakož i možnost výstavby škálovatelných a komplexních sítí jak v průmyslu (mimo jiné v obchodu, skladování, spedici), tak i ve veřejném prostoru (systémy řízení dopravy, veřejná doprava, sítě meteorologických senzorů, seismické senzory atd.). Beacons nebo environmentální senzory napájené SLB články firmy Nichicon (nabíjené pomocí běžně dostupných zdrojů energie) jsou dalším krokem k informatizované, bezpečné a ekologicky šetrné budoucnosti.
