纸电池，是真的吗？

        当我第一次听到纸电池时，我是持怀疑态度的。我曾在使用聚脂薄膜和类似材料的电池公司工作过，但居然是纸？
我对此感到非常好奇，因此我特别想与纸电池公司(PBC)的首席执行官Shreefal Mehta和高级总监Dave Rich交流一下。
PBC公司成立于2008年，位于纽约州北部。公司的愿景是卷到卷印刷生产可扩展、灵活、结构化的能量存储材料片。这种技术可以在同一大批量印刷生产线上制造电池和超级电容(能量和功率)材料。
PBC公司如今正在开发超薄超级电容技术，这种技术据称可以增强移动设备和依赖传统可充电锂电池的其它产品的电池性能。该技术是一种独特的、相对非界入式(只有0.3mm厚)技术，能与现有的电池解决方案一起工作，而且具有环境友好特性。借助这种可扩展性技术，能量的存储和分配可以得到显著改善，而且使用的具有成本效益和空间效益的片状产品很容易设计进各种电子产品中。
PCB公司看准了嵌入式设备越变越小、越变越薄并且采用电池供电的趋势，因此他们决心为电池开发又薄又便宜的设计。我想知道这种技术究竟有多好。
PBC公司还宣布了与领先的电池组制造商TWS的合作伙伴关系，后者是世界上前五大电池供应商之一。
为了更深入地了解这一技术，我问了一些问题，并做了一些研究。
怀疑一切的人
我发现葡萄牙的新里斯本大学已经对在纤维素纸上构建的纸薄膜电池做了大量的研发工作。这种纤维素纸同时又用作电解液，起到分隔电极的作用，也作为可充电电池的物理支撑1。作为事实，3V原型电池已经能够控制纸晶体管的开/关状态。
2013年普渡大学使用基于柔性纸的集电体成功制造出锂离子电池。其中的集电体是在覆盖有碳纳米管的超细木纤维上制造出来的，采用了静电叠层纳米组装工艺2。
因此，没问题——它可以做出来。现在我又对纸电池公司的设计感兴趣了。
纸电池公司的工艺
纸电池公司(PBC)的PowerPatch产品线包含了超薄、可以加图案的超级电容器，其中的互连和封装设计成可以形成紧凑的能量模块，其工作电压范围从2V到7.8V，具体取决于目标寿命。
这种第一代产品实现了PowerWrapper技术平台的有限子集，突出了PBC公司为这种下一代超薄、可加图案的超级电容开发的封装创新技术。


典型的传统电池尺寸为90x30x4mm，等效串联电阻(ESR)为75mΩ；纸电池公司的解决方案尺寸为7cmx4mmx0.3mm，ESR不到30mΩ。

更让人欣慰的是，这种设计对环境非常友好：超级电容技术使用的电极是由高表面积活性碳、碳纳米管或石墨烯组成的。纸或其它多孔聚合物分隔器容纳电解液并分隔电极。集电体通常是铝箔，连接到电极上，并承载电荷的输入输出。PowerPatch产品没有电池中常见的有毒重金属 ，完全符合RoHS指令。


       
减少压降
PowerPatch第二代产品能以真正很小的空间显著减少压降。


顶部的图形是带PBC公司超级电容的传统电池。底部的图形显示在GSM手持无线电设备中单用传统电池有显著的压降。

纸能够适应复杂的形状


传统电池很难装配进复杂的外形结构。更薄的电池意味着更轻、更薄的外部产品设计。



新产品设计范例。电池/超级电容现在可以围绕PCB板布置以满足产品的最小体积要求。现在还容易做成分布式电容。这种设计能够减小PCB上的电压变化，减少很多PCB元件，还能同时向一个或多个负载提供峰值功率脉冲。选择外形尺寸的灵活性允许不规则的形状，同时仍能提供优异的散热和RFI(射频干扰)好处。
隐含的优势
苗条的外形使得PowerPatch非常有益于扩散和屏蔽热量。PowerPatch的架构设计可以使电磁干扰“更安静”，并能用作RFI的屏蔽罩。
这种技术支持的应用：
电容触摸屏—噪声(电磁干扰)是电容触摸屏的首要问题，PowerPatch不仅可以用作屏蔽罩，而且有助于维持LED驱动器的电压稳定。
相机闪光灯—大多数超过130万像素的手机相机都要求强大的拍照闪光灯，以及在较低光线条件下方便摄影的超亮电筒。闪光灯强度直接和间接地影响图像质量3。向闪光灯提供的功率脉冲要求高能量和很低的ESR。
智能手表—目前智能手表虽然新颖，但作为智能手机或平板电脑的附属设备功能还很有限。功能的演进需要更好的电源来延长通信距离和提高数据速率。
电池供电的小型低音和超低音声响系统——为了获得最好的声音，电源电压的变化必须尽可能小以适应瞬态功率要求，特别是当只有电流需求改变时。具有高能量密度和低ESR的超级电容可以提高这种场合中的系统性能。越薄的外形尺寸使得它们能够装配进最终产品或低音产生子系统的工业设计中。
个人音频放大器和医疗听力系统—集成蓝牙和其它无线射频技术，数据流可直接进入设备。RFI和真实听力援助中心(THAC)问题。
LED驱动器—电压稳定性，效率得到提升，具有散热和RFI好处，而且具有成本和尺寸优势。
未来
未来增长将通过扩展产品到大规格性能叠层、将能量打包为结构化单元(如太阳能阵列背板到混合动力汽车电池组)推动。
PowerPatch实现可以有多个输出，而未来还会有多种电压。这些优势使得PowerPatch能够连接到相邻的多个负载，以便获得可能最小的ESR。PowerPatch可以用来对电压进行乘除运算，然后直接馈送给负载，或作为电压转换器的输入，也可作为连接电压转换器的存储器。
未来，PowerPatch将支持把元件直接安装到PowerPatch上，比如稳压元件、开关和控制器件以及RFID元件等。