TechInsights關(guān)于蘋(píng)果智能手表金屬殼電池的探討

在消費(fèi)性電子產(chǎn)品中，可穿戴設(shè)備是外形尺寸最受限制的一類。制造商們?cè)噲D通過(guò)小巧輕便的設(shè)備實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能并提高處理水平和蓄能水平。無(wú)論是否發(fā)生溫度變化、振動(dòng)和沖擊，可穿戴設(shè)備均必須能承受頻繁充電并長(zhǎng)期安全運(yùn)行。根據(jù)我們的產(chǎn)品級(jí)別的拆解結(jié)果分析(Tear Down)，TechInsights對(duì)各類可穿戴產(chǎn)品進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)，在外形尺寸方面，相當(dāng)一部分電池選用了軟包形式(pouch cell)。而蘋(píng)果手表獨(dú)樹(shù)一幟。2019年，Apple Watch 5系列智能手表（包括40 mm款和44 mm款）問(wèn)世。TechInsights在該系列的40 mm款手表中首次發(fā)現(xiàn)了采用金屬殼的電池。為了進(jìn)一步研究金屬殼的相關(guān)應(yīng)用，我們決定通過(guò)分析Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）來(lái)描述金屬殼電池的特征，從而探明使用金屬殼而非軟包的原因。
有關(guān)這種電池的更多詳情和分析，可參見(jiàn)“德賽（Desay）A2663金屬殼電池（Apple Watch 7系列智能手表-41 mm）概要”報(bào)告?？赏ㄟ^(guò)訂閱TechInsights充電電池概要獲得該報(bào)告。
電池外形綜述：
TechInsights發(fā)現(xiàn)，絕大部分鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)由四大部分組成：1）涂覆在鋁箔上的陰極材料（消費(fèi)性電子產(chǎn)品通常采用LiCoO2），2）作為陽(yáng)極材料涂覆在銅箔上的層狀石墨，3）由溶于有機(jī)溶劑（通常為碳酸鹽）的鋰鹽溶液制成的離子導(dǎo)電電解質(zhì)（通常為液體），以及4）由聚乙烯和聚丙烯層制成，并設(shè)置在陽(yáng)極和陰極之間，以避免短路的絕緣隔板?；谶@些部件，目前市場(chǎng)上有四種主要的鋰離子電池配置（ 形狀因數(shù)），即圓柱形蓄電池、方形蓄電池、軟包電池和鈕扣式電池，如下圖所示。

圖1：最常見(jiàn)的鋰離子電池類型【1】

軟包電池的普及
軟包電池是消費(fèi)性電子產(chǎn)品中最常見(jiàn)的外形規(guī)格，因?yàn)樗鼈兛梢远ㄖ茷椴煌某叽?，以最大限度地利用設(shè)備中的可用空間，并達(dá)到90%-95%的封裝效率。
在軟包電池設(shè)計(jì)中，陽(yáng)極、陰極和隔板的堆疊層被裝入一個(gè)軟外殼中。電池外殼常由兩面都層壓有有機(jī)聚合物的鋁箔制成。電池外殼的密封多層壓板可以防止鋰電池的電極組件與外界的水分、氧氣和其他污染物發(fā)生反應(yīng)。密封的多層板還防止或減少了電解質(zhì)的任何泄漏，從而避免損壞便攜電子設(shè)備的其他組件。
軟包電池及安全性
為許多裝置中的軟包電池外殼設(shè)定了最小臨界距離。最小臨界距離系指電池外殼（或者是某些實(shí)施例中的封印的邊緣）邊緣與其周邊元件的距離。如果軟包寬度小于最小臨界距離，那么可能會(huì)出現(xiàn)撕裂或破裂，并且密封可能容易失效，尤其是循環(huán)過(guò)程中受到明顯的沖擊或遇到膨脹時(shí)。
引進(jìn)金屬殼電池
如前文所述，2019年，TechInsights首次在蘋(píng)果手表中遇到了金屬殼電池。進(jìn)一步的調(diào)查顯示，蘋(píng)果在同一年申請(qǐng)了一項(xiàng)金屬殼電池的專利，截止本文撰寫(xiě)時(shí)，該專利仍在申請(qǐng)中。 該專利描述了它為何屬于“減少電池和電子元件間空間的改良電池”。專利詳細(xì)說(shuō)明了如何優(yōu)化電子設(shè)備中的可用空間，而不需要電池外殼和電子設(shè)備中的其他組件之間的間距。在一些設(shè)計(jì)中，金屬外殼可連接到公共接地，以允許其他組件接觸電池外殼，而不會(huì)導(dǎo)致短路。此外，金屬外殼可以用作電子設(shè)備中的結(jié)構(gòu)元件。例如，支架可以連接到金屬外殼，或者兩個(gè)外殼件之間的凸緣可以作為連接點(diǎn)。
對(duì)Apple Watch 7系列智能手表（41mm）及其金屬殼電池進(jìn)行逆向工程
在TechInsights，我們打開(kāi)了一個(gè)Apple Watch 7系列智能手表（41mm），目的是為了對(duì)它的金屬殼電池進(jìn)行描述。圖2顯示了卸下顯示屏后的設(shè)備內(nèi)部及其電池。

圖2：卸下顯示屏后Apple Smartwatch Series 7 （41mm）的拆解圖。

表1比較了Apple Watch 7系列智能手表（41mm）電池與更大版本的電池（兩種電池均由德賽集團(tuán)生產(chǎn)）。結(jié)果顯示，金屬殼設(shè)計(jì)在不損害面積容量（單位面積容量）的情況下減少了10%的覆蓋面積。然而，它的能量密度（單位體積的能量）比大表低19%。Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）中，電池的高寬比為0.193，明顯大于45 mm版本。查看實(shí)物之后，我們確認(rèn)金屬外殼連接到公共接地點(diǎn)，以允許其他元件接觸電池外殼，而不會(huì)導(dǎo)致短路。

表1：Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）和（45 mm）電池的比較

電池特性分析
為了進(jìn)一步分析電池，Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）的電池組被拆除，并在C/20下使用差分容量分析（DCA）進(jìn)行測(cè)試。為了將結(jié)果與其更大的同系列產(chǎn)品進(jìn)行比較，TechInsights根據(jù)電池容量（dq/dV除以電池容量）對(duì)dq/dV值進(jìn)行了歸一化處理。如圖3所示，兩種電池的化學(xué)性質(zhì)相似，陰極為鋰鈷氧化物，陽(yáng)極為石墨。

圖3：Apple Watch 7系列智能手表 （41 mm）的電池與較大尺寸相比的微分電容曲線。

在不同的充電狀態(tài)（SOC）下，使用電化學(xué)阻抗法（EIS）分析Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）電池的阻抗和內(nèi)阻。通過(guò)施加5 mV振幅的正弦信號(hào)，在3 kHz至50 mHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行EIS測(cè)量。圖4以奈奎斯特圖的形式給出了相應(yīng)的結(jié)果。不同光譜比較表明它們具有相似的趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)頻譜由兩個(gè)中高頻率的半圓組成，然后還有一條低頻區(qū)的45°線。實(shí)軸和虛軸的截距表示總電阻等于110mΩ。第一個(gè)半圓代表電池的固體電解質(zhì)界面，而第二個(gè)半圓代表陽(yáng)極和陰極的電化學(xué)反應(yīng)。45?線對(duì)應(yīng)鋰離子的擴(kuò)散。每個(gè)半圓的直徑之和表示對(duì)電化學(xué)現(xiàn)象的電阻。對(duì)于完全放電的電池，該值為~0.4Ω；隨著電池充電，充電電阻下降35%。

圖4：Apple Watch 7系列智能手表（41mm）電池在充電狀態(tài)為3%、25%、50%、75%和100%時(shí)的奈奎斯特圖。

通常情況下，容量越小的電池內(nèi)阻越高。然而，就Apple Watch 7系列智能手表的電池而言，較小版本的電池與較大版本的電池相比，阻抗相似。（圖5）

圖5： Apple Watch 7系列智能手表（41mm和 44 mm）的電池在SOC為3%和75%時(shí)的奈奎斯特圖。

電池結(jié)構(gòu)和物理分析
為了更深入地了解電池的設(shè)計(jì)和化學(xué)性質(zhì)，我們拆開(kāi)了電池，以了解盒內(nèi)電池的結(jié)構(gòu)和堆疊的層數(shù)。圖6顯示了拆下金屬殼后的電池。陽(yáng)極集電器焊接到鎳極耳（陽(yáng)極電極）上，鎳極耳焊接到金屬外殼上，形成整個(gè)金屬殼的共用接地。陰極集電器連接到鋁極耳上。然而，塑料密封可以防止陰極接頭接觸金屬，從而導(dǎo)致短路，如圖所示。為了防止極芯和拉環(huán)之間任何可能的直接接觸，金屬軟殼內(nèi)裝了一個(gè)聚合物板，如圖所示。

圖6：打開(kāi)金屬殼后Apple Watch 7系列智能手表 (41mm）電池的拆解圖。

電極結(jié)構(gòu)分析
圖7展示了電極的SEM（掃描電子顯微鏡）橫截面顯微圖。能量色散X射線能譜（EDX）分析證明，該電池的化學(xué)成分主要基于鈷氧基陰極和石墨基陽(yáng)極。電活性材料的厚度和相對(duì)較薄的集電器為最大化能量密度提供了最佳條件，而不會(huì)損害該電池的功率處理能力。

圖7：詳細(xì)的電池堆疊–Apple Watch 7系列智能手表（41mm）電池的SEM橫截面。

這種電池的隔膜是一種有機(jī)聚合物，兩面都涂有陶瓷層，德賽使用了一種特殊的陶瓷來(lái)提高電池在熱失控情況下的安全性。

圖8：Apple Watch 7系列智能手表（41mm）電池金屬殼的SEM橫截面圖。

電池尺寸探討
金屬殼電池尺寸的目標(biāo)之一是縮小電池的尺寸。這就引出了一個(gè)問(wèn)題，如果極芯（圖6）被裝在傳統(tǒng)的聚合物外殼中會(huì)怎樣？聚合物外殼通常更厚，厚度~100μm，使電池的總厚度在寬度、長(zhǎng)度和高度方面增加了200μm（0.2mm）。其次，如果是聚合物軟包電池，不可能將外殼內(nèi)的整個(gè)主體和設(shè)備的其他電子元件連接到公共接地，這樣會(huì)失去其他安全特性。此外，電池的膨脹無(wú)法控制，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)讓金屬殼以一種可控的方式膨脹，如報(bào)告【2】所示。
還可能具有專利中未明確描述的其他優(yōu)勢(shì)。這種電池的循環(huán)壽命可能會(huì)更長(zhǎng)，因?yàn)橥鈿さ膲嚎s可以防止循環(huán)過(guò)程中電池層的分層。
總結(jié)：
在這篇材料中，TechInsights回顧了Apple Smartwatch Series 7（41mm）智能手表系列申請(qǐng)專利并由德賽公司制造的鋰離子電池的新設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中，電池的極芯被裝在一個(gè)不銹鋼外殼中，整個(gè)外殼與電池的負(fù)極相連。電池陰極由CoO2組成，陽(yáng)極由石墨組成。電極被兩面涂有陶瓷的聚合物隔開(kāi)。與標(biāo)準(zhǔn)的軟包電池相比，這個(gè)新的實(shí)施例提供了以下所述的幾大優(yōu)點(diǎn)。
這種新設(shè)計(jì)不會(huì)增加電池的能量密度；然而，它減少了電池和其他元件之間所需的間距，從而可以在保持電池安全的同時(shí)，生產(chǎn)更小的消費(fèi)性電子產(chǎn)品。在這種設(shè)計(jì)中，電極裝置與外殼電耦合以形成共用接地點(diǎn)，從而允許其他部件接觸電池外殼，而不會(huì)導(dǎo)致短路或腐蝕部件。此外，如果存在膨脹，這種新的軟包設(shè)計(jì)允許鼓包，從而使電池的整體尺寸保持不變。
有關(guān)這種電池的更多詳情和分析，可參見(jiàn)“德賽（Desay）A2663金屬殼電池（Apple Watch 7系列智能手表-41 mm）概要”報(bào)告。可通過(guò)訂閱TechInsights充電電池概要獲得該報(bào)告。[3].
References

• Yuan, X., H. Liu, and J. Zhang. "Lithium-ion batteries: advanced materials and technologies. CRC." (2011).
• Pelletier, David M., et al. "Metal can battery." U.S. Patent Application No. 16/883,959.
• TechInsights對(duì)于Desay A2663 Metal Can Battery的分析報(bào)告鏈接Report