基本信息
- 项目名称：
- 薄膜电池与射频非接触充电的完美结合
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 全固态薄膜锂电池体积小，能为小型化的电子线路供电，赋予其更强大的功能：如负载了薄膜电池的银行卡就可从被动卡变为主动卡，存储更多的数据，进行卡与卡之间信息互换，提供更高级的安全措施诸如指纹识别等。 但为薄膜电池充电是一个难题，现广泛使用的接触式充电方式有简便快捷的优点，可若需使上述小型化器件发挥其强大的功能时，却又存在诸多劣势：导体裸露在外面的危险性；在充斥导电介质的环境中，电极易短路；若充电设备与终端之间存在相对运动等接触障碍，接触式充电方式的使用便存在困难。尤其当集成了薄膜电池的体系有密闭等要求，这都增加了设计的复杂性和控制的难度，而这恰是薄膜电池发展的一个主要方向。非接触式充电则是一个很好的思路。 本作品制作的非接触式充电装置采用的是电波接收原理，其针对于薄膜电池设计又有相应的新特性：由于薄膜电池功率不大、充电电流小，本充电装置能在较长的距离（10cm）对其进行有效充电，而且相应的发射电波功率小、安全、接收电路简便。 本作品将电波接收型非接触式充电设想转变为实物，使其能够发射出与薄膜电池相匹配的充电电流与电压，将薄膜电池与射频非接触式充电方式完美地结合在一起，极大地拓展了薄膜电池的应用领域。
- 详细介绍：
- 过去数十年间，随着CMOS 芯片、微电机械系统（MEMS）以及传感器等电子器件微型化的发展对支撑电源的体积、功率和工作电流都提出了特殊的要求，迫切要求有体积小、重量轻、比容量高的微型致密电源与其相匹配。通过溅射沉积等方法所制作出的具有纳米尺度的全固态薄膜锂电池由于具有高功率密度、低自放电率、优良的充放电循环性能以及形状和尺寸可以任意设计等优点，被认为是最有前景的微电池之一。薄膜电池与当今广泛使用的粉体锂离子电池相比，由于后者有相对较大的体积，很难作为未来微型器件及超薄器件的电源；而全固态薄膜锂电池可以发挥其体积小的巨大优势，为小型化的电子线路以及微电子机械系统供电，从而赋予其更强大的能力。其应用领域主要有：多种微型传感器、CMOS 集成线路、智能卡（Smart Card）、生物芯片和人体内的微型手术器和微型医疗器件等。 而如何对薄膜电池充电是一个问题。如今广泛使用的接触式电池充电方式有其简便快捷的优点，但若需使上述小型化薄膜化器件发挥其强大的用途，却又存在诸多劣势：首先，导体裸露在外面，电连接时容易产生火花，这对于易燃易爆场合危险性大；而且会因多次的插拔对接操作，引起机械磨损，导致接触松动，不能有效传输电能；如果连接部件出现污物，将会导致接触不良或者电连接失败；若在潮湿的或存在充斥导电介质的环境，电极容易引起电路短路；再者，连接触点的对接需要较高的精确性，如终端设备处于恶劣的环境、充电设备与终端设备存在相对运动、充电设备与终端之间存在无法避免的接触障碍的情况下，以接触为基础的传输技术(导线传输、金属接触等)存在诸多隐患甚至无法使用；或者集成了薄膜电池的体系有密闭等要求，这都增加了设计的复杂性和控制的难度。 在这种情况下，非接触式充电装置为薄膜电池的充电提供了一个很好的思路。本作品制作的非接触式充电装置采用的是电波接收原理，而其针对于薄膜电池设计又有相应的新颖性：由于薄膜电池功率不大、充电电流小，本作品制作的非接触式充电装置能在较长的距离（10cm）对其进行有效充电，而且相应的发射电波功率小、安全、接收电路简便。减少了充电的限制，这使得薄膜电池在其应用领域中：包括以其为电源的各种微型及薄膜化器件，能够得到更大程度的发挥。如在智能卡方面，负载了电源就可以使得由“被动卡”转变成为“主动卡”，银行卡之中如果集成了薄膜电池，首先可以存储更多的数据，其次可以进行卡与卡之间的部分信息互换，再次可以为其提供更高级的安全措施诸如指纹识别等。正所谓薄膜电池和射频非接触充电的完美结合。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的： 制作能够应用于小型化、集成化电路要求的薄膜电池，研制出为这种电池充电的非接触式充电装置，从而可以为薄膜电池的整合入微型化集成电路、主动卡等发展领域提供可能。 基本思路： 将较成熟的锂电池电极材料薄膜化，制成薄膜电池，利用电波接收型原理，其有能非接触式充电、充电距离较远等特性，设计制作与薄膜电池相匹配的小功率非接触式充电装置，进一步优化电路结构和接收装置的构造，从而制作成概念型主动卡，即集成了电池的卡片，并进行装置的性能测试，包括：充放电测试，能量损耗测量等等。从而最终得到与薄膜电池相完美结合的充电装置。 创新点： 1.本项目将电波接收型非接触式充电设想转变为实物，针对于薄膜电池自行设计了非接触式充电装置. 2.本项目制作出了与薄膜电池相匹配的非接触式充电装置，两者的结合赋予了薄膜电池很大的应用空间：如负载了薄膜电池可以使得现有的被动卡转变为主动卡，进行大量数据存储、数据交换等功能；而非接触式充电使得主动卡的循环利用提供条件。 技术关键： 1.制作出薄膜化的全固态锂电池。 2.制作出能与全固态薄膜电池匹配（充电电流、充电电压和有效充电距离）的非接触式充电装置。 主要技术指标：（均以实验室的薄膜电池为工作电池） 1.有效充电距离：9-11cm; 2.有效充电电压：3.1V-4.5V； 3.有效充电电流：10μA-24μA。
科学性、先进性
- 全固态薄膜电池体积小、内阻小、比容量高、安全，适于应用在高度集成化的电路之中。但如果集成的体系有密闭等要求，或充电设备与终端设备存在相对运动等无法避免的接触障碍的情况下，接触式充电方式存在困难，甚至无法使用。 在此情况下，非接触式充电方式为薄膜电池的充电提供了一个很好的思路。现有已打算投入市场的非接触式充电理念主要集中在手机和汽车上，其一般采用的为电磁感应原理，电磁感应型充电系统能够发射的电磁波功率非常大，最大达到几百千瓦，但发射器能够发射的距离仅为1cm以下。而长距离的非接触式充电也有相关理论预测：电波接收型的最大发射距离可长达10m，谐振型无线传输电能发射距离可达到3m-4m，但是都只是理论上的预测。而本作品运用了相关知识将非接触式充电想法转变为实物。本作品制作的非接触式充电装置采用的是电波接收原理，其针对于薄膜电池设计又有相应的新特性：由于薄膜电池功率小、充电电流小，本装置能在较长的距离（10cm）对其进行有效充电，而且相应的发射电波功率小、安全、接收电路简便。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利转让，技术合作，技术支持
作品可展示的形式
- 实物产品，图纸，现场演示，图片，样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品的技术特点和优势在于：其针对薄膜电池的电压和电流设计了相应的非接触式充电装置，具有较长的有效充电距离；现阶段成本较低，整套装置在500元左右。 本作品的适应范围和推广前景主要在于：其为部分情况下薄膜电池的充电提供了一种理想的充电方式，为薄膜电池应用拓宽了空间。薄膜电池应用用途包括：多种微型传感器、CMOS 集成线路、智能卡等。本作品的推广主要和薄膜电池的推广相结合在一起。 本作品的市场经济效益体现在：其为某些薄膜电池器件的必备配件。随着科技的发展，电子线路向小型化方向不断进展，薄膜电池的应用必将成为未来的一种趋势，可以预测非接触式充电装置作为必备配件，将随着薄膜电池的发展而得到推广。此非接触充电装置成本较低，进一步生产可降低成本，并进行小型化、包装美化等改进，从而获得大众青睐。
同类课题研究水平概述
- 薄膜电池方面：目前除了复旦大学化学系激光化学所傅正文教授研究组之外，国内还没有相关基于无机电解质的全固态薄膜锂电池研究，国外仅有几个实验室如橡树岭国家实验室对全固态锂电池有过一定的研究，傅正文教授实验室的研究达到了国际先进水平。 非接触式充电装置方面：在国内有重庆大学自动化学院孙跃教授带领的课题组做过相似的课题研究，攻克了非接触感应供电的关键技术难题，建立了完整的理论体系，并率先研制出了非接触电能传输装置。据孙跃教授介绍，重庆大学已经研制出的装置，能够实现600至1000瓦的电能输出，传输效率为70%，并且能够向多个用电设备同时供电，即使用电设备频繁增减，也不会影响其供电的稳定性。 目前国际上研究非接触式充电方式集中在电磁感应型，其主要应用领域为电动汽车和手机等方面。日本公司以及科研机构已经有一些相关的专利文献，其主要为针对于手机等等数字产品的充电设想；此外还有一些相关课题研究的报导，比如对高速公路上汽车的远程充电，美国麻省理工学院的科学家提出的利用变压器内部存在近距离电磁感应现象可以进行远程充电。 本项目利用的是电波接收原理。而在电波接收型方面，目前准备投入商业应用的有Powercast公司，在进一步开发之中，其主要应用于手机充电方面。 但是到目前为止，国内外还没有课题组把射频非接触式充电方式应用于全固态薄膜电池的充电上，本作品在这一点上是概念和技术上的革新，可称为两者的完美结合。
