关于苹果智能手表金属壳电池的探讨——一种适用于便携式和可穿戴电子产品的新颖设计.docx

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1、种适用于便携式和可穿关于苹果智能手表金属壳电池的探讨戴电子产品的新颖设计在消费性电子产品中，可穿戴设备是外形尺寸最受限制的一类。制造商们试 图通过小巧轻便的设备实现高级功能并提高处理水平和蓄能水平。无论是否发生 温度变化、振动和冲击，可穿戴设备均必须能承受频繁充电并长期安全运行。根 据产品级别的拆解结果分析（TearDOWn）,对各类可穿戴产品进行了分析发现，在 外形尺寸方面，相当一部分电池选用了软包形式（p。UChCelI）。而苹果手表独树一 帜。2019年，Apple Watch 5系列智能手表（包括40 mm款和44 mm款）问世。 在该系列的40 mm款手表中首次发现了采用金属壳的电池

2、。为了进一步研究金 属壳的相关应用，我们决定通过分析APPIeWatCh 7系列智能手表（4：Imm）来 描述金属壳电池的特征，从而探明使用金属壳而非软包的原因。电池外形综述绝大部分锂离子电池的基本结构由四大部分组成：1）涂覆在铝箔上的阴极 材料（消费性电子产品通常采用LiCoO2）, 2）作为阳极材料涂覆在铜箔上的层 状石墨，3）由溶于有机溶剂（通常为碳酸盐）的锂盐溶液制成的离子导电电解 质（通常为液体），以及4）由聚乙烯和聚丙烯层制成，并设置在阳极和阴极之 间，以避免短路的绝缘隔板。基于这些部件，目前市场上有四种主要的锂离子电 池配置（形状因数），即圆柱形蓄电池、方形蓄电池、软包电池和钮扣

3、式电池， 如下图所示。Cylindrical cellPmmatic cellBottoa cellPouch cell图1：最常见的锂离子电池类型【1】软包电池的普及软包电池是消费性电子产品中最常见的外形规格，因为它们可以定制为不同 的尺寸，以最大限度地利用设备中的可用空间，并达到90%-95%的封装效率。在软包电池设计中，阳极、阴极和隔板的堆叠层被装入一个软外壳中。电池 外壳常由两面都层压有有机聚合物的铝箔制成。电池外壳的密封多层压板可以防 止锂电池的电极组件与外界的水分、氧气和其他污染物发生反应。密封的多层板 还防止或减少了电解质的任何泄漏，从而避免损坏便携电子设备的其他组件。软包电池及

4、安全性为许多装置中的软包电池外壳设定了最小临界距离。最小临界距离系指电池 外壳（或者是某些实施例中的封印的边缘）边缘与其周边元件的距离。如果软包 宽度小于最小临界距离，那么可能会出现撕裂或破裂，并且密封可能容易失效， 尤其是循环过程中受到明显的冲击或遇到膨胀时。引进金属壳电池如前文所述，2019年，首次在苹果手表中遇到了金属壳电池。进一步的调 查显示，苹果在同一年申请了一项金属壳电池的专利，截止本文撰写时，该专利 仍在申请中。该专利描述了它为何属于减少电池和电子元件间空间的改良电池。 专利详细说明了如何优化电子设备中的可用空间，而不需要电池外壳和电子设备 中的其他组件之间的间距。在一些设计中，

5、金属外壳可连接到公共接地，以允许 其他组件接触电池外壳，而不会导致短路。此外，金属外壳可以用作电子设备中 的结构元件。例如，支架可以连接到金属外壳，或者两个外壳件之间的凸缘可以 作为连接点。对APPIeWatCh 7系列智能手表（4Imm）及其金属壳电池进行逆向工程ft Techlnsights,我们打开了一个APPIeWatCh 7系列智能手表（41mm）,目 的是为了对它的金属壳电池进行描述。图2显示了卸下显示屏后的设备内部及其 电池。图2：卸下显示屏后APPIeSmartWatChSerieS 7 （4Imm）的拆解图。表1比较了 Apple WatCh 7系列智能手表（4Imm）电池与

6、更大版本的电池（两 种电池均由德赛集团生产）。结果显示，金属壳设计在不损害面积容量（单位面 积容量）的情况下减少了 10%的覆盖面积。然而，它的能量密度（单位体积的能 量）比大表低19%。APPIeWatCh 7系列智能手表（4Irnrn）中，电池的高宽比为 0.193,明显大于45 mm版本。查看实物之后，我们确认金属外壳连接到公共接 地点，以允许其他元件接触电池外壳，而不会导致短路。ModelBattery of Apple Watch Series 7 (41 mm)Battery of Apple Watch Series 7 (45 mm)DfaMmton (1/W/H)25.72

7、m 20l15 mm 39 mm28.1 rm 203 mr 309 mmH/W ratio0.1930.151ma/cm25.185.76volume / cm32.021.78CaIMdty/mAh284309capacity per area (mAhcm2)54.8053.64CBpadIy par VDlUnM (MAhcm3)140.5117339表1： APPleWatCh 7系歹U智能手表（41 mm）和（45 mm）电池的比电池特性分析为了进一步分析电池，APPIeWatCh 7系歹IJ智能手表（41 mm）的电池组被拆 除，并在C/20下使用差分容量分析（DCA）进行测试。

8、为了将结果与其更大的 同系列产品进行比较，根据电池容量（dqdV除以电池容量）对dq/dV值进行了 归一化处理。如图3所示，两种电池的化学性质相似，阴极为锂钻氧化物，阳极为石墨。15-153.03.23.43.63.84.04.2Voltage/V4.45 0-5Tppp营 2J0N图3： APPIeWatCh 7系列智能手表(41mm)的电池与较大尺寸相比的微分电容曲线。在不同的充电状态(SOC)下，使用电化学阻抗法(EIS)分析APPleWatCh 7 系列智能手表(4Imm)电池的阻抗和内阻。通过施加5 mV振幅的正弦信号， 在3 kHz至50 mHz的频率范围内进行EIS测量。图4以奈

9、奎斯特图的形式给出了 相应的结果。不同光谱比较表明它们具有相似的趋势。一般来说，每个频谱由两 个中高频率的半圆组成，然后还有一条低频区的45。线。实轴和虚轴的截距表示 总电阻等于110mC.第一个半圆代表电池的固体电解质界面，而第二个半圆代 表阳极和阴极的电化学反应。45。线对应锂离子的扩散。每个半圆的直径之和表 示对电化学现象的电阻。对于完全放电的电池，该值为0.4Q;随着电池充电， 充电电阻下降35%。0.00.10.20.30.40.50.6Zreal / 图4： Apple Watch 7系列智能手表(4Imm)电池在充电状态为3%、25%、50%、75%和IO0%时的奈奎斯特图。通常

10、情况下，容量越小的电池内阻越高。然而，就APPleWatCh 7系列智能 手表的电池而言，较小版本的电池与较大版本的电池相比，阻抗相似。（图5）图5： APPleWatCh 7系列智能手表（4Imm和44 mm）的电池在SoC为3% 和75%时的奈奎斯特图。电池结构和物理分析为了更深入地了解电池的设计和化学性质，我们拆开了电池，以了解盒内电 池的结构和堆叠的层数。图6显示了拆下金属壳后的电池。阳极集电器焊接到银 极耳（阳极电极）上，银极耳焊接到金属外壳上，形成整个金属壳的共用接地。 阴极集电器连接到铝极耳上。然而，塑料密封可以防止阴极接头接触金属，从而 导致短路，如图所示。为了防止极芯和拉环之

11、间任何可能的直接接触，金属软壳 内装了一个聚合物板，如图所示。图6：打开金属壳后APPIeWatCh 7系列智能手表（41mm）电池的拆解图。电极结构分析图7展示了电极的SEM （扫描电子显微镜）横截面显微图。能量色散X射线 能谱（EDX）分析证明，该电池的化学成分主要基于钻氧基阴极和石墨基阳极。 电活性材料的厚度和相对较薄的集电器为最大化能量密度提供了最佳条件，而不 会损害该电池的功率处理能力。图7：详细的电池堆叠-APPle Watch 7系列智能手表（4Imm）电池的SEM 横截面。这种电池的隔膜是一种有机聚合物，两面都涂有陶瓷层，德赛使用了一种特 殊的陶瓷来提高电池在热失控情况下的安全性。电池尺寸探讨金属壳电池尺寸的目标之一是缩小电池的尺寸。这就引出了一个问题，如果 极芯(图6)被装在传统的聚合物外壳中会怎样？聚合物外壳通常更厚，厚度 100m,使电池的总厚度在宽度、长度和高度方面增加了 200m (0.2mm)o其 次，如果是聚合物软包电池，不可能将外壳内的整个主体和设备的其他电子元件 连接到公共接地，这样会失去其他安全特性。此外，电池的膨胀无法控制，因为 这种设计让金属壳以一种可控的方式膨胀。还可能具有专利中未明确描述的其他优势。这种电池的循环寿命可能会更长, 因为外壳的压缩可以防止循环过程中电池层的分层。