Hoe werken dunne-filmbatterijen?
Het krediet voor het ontwikkelen van dunne-filmbatterijen gaat naar een team van wetenschappers onder leiding van Dr. John Bates. Ze hebben meer dan een decennium onderzoek verricht bij het Oak Ridge National Laboratory voor de ontwikkeling van een dunne-filmbatterij. Conventionele batterijen zijn omvangrijk en niet-flexibel, waardoor ze niet geschikt zijn voor gebruik waar ruimte beperkt is. Een andere factor is de verhouding energie / gewicht, die vrij laag is voor conventionele batterijen.
Kenmerken die specifiek zijn voor de dunne-filmbatterijen zijn de volledig solid-state constructie. Ze kunnen in elke vorm en grootte worden gevormd en zijn volledig veilig onder alle bedrijfsomstandigheden. Deze specifieke batterijen kunnen ook worden gebruikt bij een groter bedrijfstemperatuurbereik. Vanwege hun volledig solide constructie kunnen batterijen met een dunne film temperaturen tot 280 graden Celsius of 586 graden Fahrenheit zonder falen weerstaan.
Dit maakt dunne-filmbatterijen geschikt om samen met andere elektronische componenten te worden gesoldeerd in een soldeer-doorstroomproces voor assemblage van elektronische circuits. In dit proces worden alle componenten verwarmd tot een temperatuur waarbij soldeer typisch smelt en stroomt om elke component aan de printplaat te binden. Aangezien deze temperatuur ongeveer 250-280 graden Celsius, 482-586 graden Fahrenheit is, kunnen conventionele batterijen die organische vloeibare verbindingen bevatten niet overleven en moeten ze daarom handmatig worden toegevoegd nadat de assemblage tijd heeft gehad om af te koelen. Deze unieke eigenschap van dunne-filmbatterijen heeft ze de naam elektronische batterij opgeleverd.
De constructie van een dunne-filmbatterij is heel eenvoudig. Verschillende lagen worden afgezet door verdamping of sputteren, een methode die gewoonlijk wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie. De kathode is meestal een groot oppervlak en is aan de bovenkant bedekt met een laag elektrolyt waarover de anode is afgezet. De elektrolytische laag isoleert de gehele kathode van de anode. Een basis of substraat aan de onderkant en een verpakking aan de bovenkant beschermen de batterij tegen schade. Afhankelijk van het substraat en de verpakkingsmethode kan de totale dikte van de batterij zo dun zijn als 0,35 mm tot 0,62 mm. Omdat de batterij in elke vorm en maat kan worden vervaardigd, kan elke specifieke ruimte, energie en kracht worden gebruikt.
Een elektronicabatterij kan elektriciteit leveren met hoge stroomdichtheden vanwege het goede kathodegebruik. De stroomdichtheid en dus de ontladingscapaciteit zijn afhankelijk van het oppervlak van de kathode. Met een goede kathodegrootte kan de dunne-filmbatterij bogen op een hoge energie-output bij een specifieke ontladingssnelheid.
Een praktisch voorbeeld van een dunne-filmbatterij is een lithiumbatterij. De anode is metallisch lithium, met een lithiumkobaltoxide-kathode. Deze regeling zorgt voor oplaadbare batterijen, die tot 4,2 volt kunnen worden opgeladen en herhaaldelijk tot 3,0 volt kunnen worden ontladen. De capaciteit van lithium-ionbatterijen wordt uitgedrukt als de hoeveelheid stroom die de batterij in een bepaalde tijd in uren kan leveren, en aangegeven met AH of mAH. De energie van dunne-filmbatterijen wordt gegeven als het product van de spanning en de lading die erdoor wordt geleverd, uitgedrukt in WH of mWH.