Jak działają baterie cienkowarstwowe?
Podziękowania za opracowanie baterii cienkowarstwowych przypadają zespołowi naukowców kierowanemu przez dr Johna Batesa. Przez ponad dekadę prowadzili badania w Oak Ridge National Laboratory w celu opracowania baterii cienkowarstwowej. Konwencjonalne akumulatory są nieporęczne i nieelastyczne, przez co nie nadają się do użycia tam, gdzie przestrzeń jest ograniczona. Kolejnym czynnikiem jest stosunek energii do masy, który jest dość niski w przypadku konwencjonalnych akumulatorów.
Cechą charakterystyczną baterii cienkowarstwowych jest konstrukcja w całości półprzewodnikowa. Mogą być formowane w dowolnym kształcie i rozmiarze i są całkowicie bezpieczne w każdych warunkach pracy. Te specyficzne akumulatory można również stosować w szerszym zakresie temperatur roboczych. Ze względu na swoją całkowicie półprzewodnikową budowę, cienkowarstwowe akumulatory mogą wytrzymać temperaturę nawet 280 stopni Celsjusza lub 586 stopni Fahrenheita bez awarii.
To sprawia, że cienkowarstwowe baterie nadają się do lutowania wraz z innymi elementami elektronicznymi w procesie ponownego lutowania w celu montażu obwodów elektronicznych. W tym procesie wszystkie elementy są podgrzewane do temperatury, w której lut zwykle topi się i przepływa, aby związać każdy element z płytką obwodu drukowanego. Ponieważ temperatura ta wynosi około 250-280 stopni Celsjusza, 482-586 stopni Fahrenheita, konwencjonalne baterie zawierające ciekłe związki organiczne nie są w stanie przetrwać i dlatego należy je dodawać ręcznie, po tym, jak zespół zdąży ostygnąć. Ta wyjątkowa cecha cienkowarstwowych akumulatorów zapewniła im nazwę akumulatora elektronicznego.
Budowa cienkowarstwowej baterii jest bardzo prosta. Różne warstwy są osadzane przez odparowanie lub rozpylanie, metodę powszechnie stosowaną w produkcji półprzewodników. Katoda jest zwykle dużą powierzchnią i jest pokryta na górze warstwą elektrolitu, na której osadza się anoda. Warstwa elektrolityczna izoluje całą katodę od anody. Podstawa lub podłoże u dołu oraz opakowanie u góry chronią akumulator przed uszkodzeniem. W zależności od podłoża i metody pakowania całkowita grubość baterii może wynosić od 0,35 mm do 0,62 mm. Ponieważ akumulator może być wytwarzany w dowolnym kształcie i rozmiarze, można ukierunkować każdą konkretną przestrzeń, energię i moc.
Bateria elektroniki jest w stanie dostarczyć prąd o wysokiej gęstości prądu ze względu na dobre wykorzystanie katody. Gęstość prądu, a tym samym pojemność rozładowania, zależą od powierzchni katody. Przy dobrej wielkości katody bateria cienkowarstwowa może pochwalić się wysoką wydajnością energetyczną przy określonej szybkości rozładowania.
Praktycznym przykładem baterii cienkowarstwowej jest bateria litowa. Anoda jest metalicznym litem z katodą litowo-tlenkową z kobaltem. Taki układ zapewnia akumulatory, które można ładować do 4,2 woltów, i które można wielokrotnie rozładowywać do 3,0 woltów. Pojemność akumulatorów litowo-jonowych jest wyrażona jako ilość prądu, którą akumulator może dostarczyć w określonym czasie w godzinach, i oznaczona przez AH lub mAH. Energia baterii cienkowarstwowych jest podawana jako iloczyn napięcia i dostarczanego przez nią ładunku, wyrażonych w WH lub mWH.