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TDK TDK Electronics

CeraCharge™

2018年10月30日

IoTアプリケーション用の充放電可能な個体SMD電池

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小型で信頼性の高い非常に安全な電源は、簡単なガジェットから工業用IoT向けの複雑なデバイスに至るまで求められています。世界初の充放電可能な固体SMD電池であるCeraCharge™は、このすべての要求に応える新しいテクノロジーです。

現代の日常生活において、電池と蓄電池のない生活は想像つかないところまできています。IoT社会となった今、最先端の超低電力の半導体およびセンサーに対応できる数十億個もの特殊な電源が必要となっています。これらのデバイスは、クリーンな環境発電技術により外部の電源に依存せずに何年も機能しなければなりません。エネルギー貯蔵デバイスに求められているのは、小型かつ充放電可能で、安全性をもち、簡単な組み立てが可能で低コスト、そして長寿命であることが挙げられますが、現在存在する技術で、これらすべての要件に対応するのは難しいと言えます。今回発表のTDKのCeraChargeは、多くのアプリケーションにおいて、このジレンマから解放されるソリューションを提供します。CeraChargeには一般的な電池に用いられている電解液を使用しておらず、セラミック固体電解質を介して充放電を行います。CeraChargeは、図1に示されているようにMLCCのような多層技術をベースとして製造されています。

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図 1:

CeraChargeの断面図。一般的な電池で用いられるセパレータおよび電解液の代わりに固体セラミック電解質が使用されています。

この技術により、従来型の充放電可能な比較的高いエネルギー密度と最小の体積を実現し、セラミックの多層コンポーネントの安全性および大量生産の利点を融合させています。また、固体セラミック電解質を使用することで、火災、爆発、または液体電解質の漏出のリスクがなくなります。

SMT対応の設計による簡単なプロセス

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CeraChargeは、SMT対応コンポーネントとして設計された世界初の充放電可能な全固体電池です。したがって、コンポーネントの簡単な交換や従来型のリフローはんだ付けプロセスの使用など他にも利点があり、それがCeraChargeを使用したデバイスの生産コストの削減につながります。CeraChargeはEIA1812パッケージ(4.5mm x 3.2mm x 1.1mm)で提供されます。CeraChargeの放電定格電圧は1.4V、放電容量は100µAh、そして初期内部抵抗値は200Ω未満を実現しています。CeraChargeの主要な技術データは表1に示されています。

表1:EIA1812パッケージの充放電可能な固体SMD電池CeraChargeの主要な技術データ
定格電圧[V]1.4
動作電圧[V]0 から 1.6
公称容量[µAh]100
公称放電電流[µA]20
動作温度[°C]-20 から +80
初期内部抵抗*[Ω]<200
重量[g]~ 0.04

*@外気温25℃、相対湿度60%未満

図2は典型的な放電特性を示しています。CeraChargeの公称放電電流は20µAですが、1つのCeraChargeは1mA(10°C)の連続放電にも対応できます。

CeraChargeは、充放電可能か否かに関わらず従来型の電池と比較して、-20°C~+80°Cの非常に幅広い温度に対応しており、たとえば測候所などの屋外使用にも適しています。図3は、20µAの定電流放電の典型的な温度特性を示しています。

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図 2:

CeraChargeの典型的な放電特性


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図 3:

CeraChargeの典型的な温度特性

CeraChargeは、電気的パラメータを著しく損なうことなく、要件に合わせて数10サイクルから1000サイクルまでの充放電サイクル数にすることができます(初期容量の80%以上の容量維持率)。図4は、CeraChargeを1.6Vの定電圧で3時間充電し、20µAの定電流で放電する場合の典型的なサイクル特性を示しています。

Bluetoothビーコンモジュールの送信中の電力供給などのパルス放電特性としては、短時間またはパルス内動作のために、1つのCeraChargeが約3mA/sの電流を供給することができます(図5)。

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図 4:

CeraChargeの典型的なサイクル特性


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図 5:

CeraChargeの典型的なパルス電力

非常に幅広い用途

CeraChargeはコンポーネントを直列、並列に接続することにより容量と電圧を増やすことができます。これにより、リアルタイムクロック(RTC)用のバックアップ電池、Bluetoothビーコン送信用のエネルギー貯蔵など、さまざまな用途の可能性が広がります。

多くの場合、RTCのバッテリとしてプライマリセル(コイン型電池)が使用されます。この従来型のソリューションの主な欠点は、ユーザがいつかバッテリを交換する必要があることです。RTCにはVSB(バッテリへの電源電圧)が存在するため、RTCモジュールのプライマリセルをCeraChargeなどの充電式バッテリで置き換えることでこの問題を解決できます(図6)。一般に、RTCがバックアップ電池からの電力を必要とするのは1度に1時間未満で、1つのCeraChargeは再充電なしで1〜2週間、RTC機能をバックアップできます。

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図 6:

CeraChargeは、リアルタイムクロック(RTC)のバックアップ電池として通常使用されるコイン型電池を置き換えることができます。

太陽光発電によるビーコンとCeraCharge

IoT(モノのインターネット)の前提条件は、あらゆる種類のアプライアンスやデバイスをインターネットに接続する能力です。スペース要件が非常に小さいことと低消費電力のため、太陽光発電によるBluetooth Low Energy(BLE)ビーコンテクノロジーが最適な接続ソリューションとして浮上しています。図7は、太陽光発電BLEビーコンの駆動モデルを示します。この回路で太陽電池は、まずBLEモジュールの主電源を供給するコンデンサ(MLCCまたはEDLCのいずれか)を充電します。CeraChargeは、太陽電池が動作していないときにコンデンサを充電するためのエネルギーを蓄える働きをします。コンデンサが完全に充電された後の余剰のエネルギーが充電され、コンデンサが空になるとコンデンサに放電します。これにより、太陽光発電ビーコンが連続的に動作することが可能になります。回路に必要な並列接続のCeraChargeユニットの数は、太陽電池なしでBLEモジュールに給電する最大値に依存します。

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図 7:

CeraChargeは、二次電源として使用され、BLEモジュールの主電源であるコンデンサを充電するためのエネルギーを蓄えます。

現在EIAサイズ1812で提供されているSMDタイプとは別に、TDKは、将来、さらに幅広いアプリケーションに対応するために、EIA0603などの他のサイズおよび他の容量を備えたCeraChargeも開発していきます。アプリケーションには、環境発電のエネルギー貯蔵(コンデンサとの併用が一般的)、瞬間的な高い需要において電流と電圧を平滑化するためのウェアラブル端末の補助電池、などが含まれます。