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面向电子价签的锂锰扣式原电池的研究与实现

2025-03-30 46 上传者：管理员

摘要：围绕电子价签行业的发展对微电源系统提出的动态需求，介绍了锂锰扣式原电池基本原理，提出了电子价签微电源解决方案，并探讨了锂锰扣式原电池高功率特性、高能量密度等关键特性在电子价签行业应用中的适配性，阐述锂锰扣式原电池在耐储存性、定制化等方面的研究与结果，对其在电子价签行业发展呈现特点做了展望，为电子价签行业的微电源供能相关研究与实践提供参考。

关键词：
ESL
电子价签
锂锰扣式原电池
高功率
高能量密度
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电子价签(ElectronicShelfLabel,ESL)于20世纪80年代在欧洲萌芽｡1993年,首个电子价签问世,其屏幕采用断码屏,即类似计算器所使用的液晶显示屏｡断码屏仅能显示有限字符,主要用于呈现价格信息,数据传输方式依靠红外通信,上传价格数据耗时较长｡21世纪初,ESL技术逐步改进迭代,作为一种先进的电子显示装置,已被广泛应用于超市､便利店､药房等零售场所｡运用电子纸的显示技术,不仅实现了价格的快速更新和精准展示,而且还衍生出多种附加功能,如商品促销展示､库存量提示等｡锂锰扣式原电池作为一种重要的微电源解决方案,在电子价签行业发展中扮演着关键的角色｡

1、电子价签行业对电池特性的需求

ESL系统通常由服务器系统､无线接入点､电子价签和智能手持终端设备4部分组成｡每一个电子价签通过有线或无线网络与计算机数据库相连,实时更新并显示最新的商品信息[1-2]｡因ESL设备需长时间持续运行,对电池续航能力提出了严峻考验;并随着ESL技术的迭代,电子纸显示屏在数据更新的刷屏过程中,需要一个较大的瞬态电流以支持显示内容的变更,对电池的高功率能力也提出了挑战;同时,鉴于ESL设备数量众多且分布广泛,电池还需具备易于安装､维护成本低廉等特性,以契合大型商业应用场景下的需求｡因此,满足以下关键特性的微电源才能与之适配:

(1)高容量:电源系统能够为ESL工作长效供能｡

(2)高功率:在信息变更等需要快速响应的场景中,电源系统必须提供足够的瞬态电流支持｡

(3)高可靠性/易操作性:电源系统需要保证在各种环境条件下稳定运行,安全性高｡

2、锂锰扣式原电池基本原理

锂锰扣式原电池由正极､负极､电解液､隔膜和外壳等部分组成｡正极材料为二氧化锰,负极材料为金属锂｡电池外壳采用不锈钢材质(如图1所示),正负极壳体之间填充有绝缘密封圈,通过挤压造型封装,形成一个类似纽扣形态的电池,故而称之为锂锰扣式原电池｡

图1 锂锰扣式原电池多型号图

锂锰扣式原电池是一种化学电源,电池放电时,负极的锂失去电子,形成锂离子(Li+),并通过电解液向正极移动｡在正极,二氧化锰(MnO2)接受锂离子和电子,发生还原反应,生成锰酸锂(LiMnO2)｡整个放电过程中,电子通过外部电路从负极流向正极,形成电流,从而为设备提供电能｡锂-二氧化锰电化学体系本身具有较高的能量密度(约230Wh/kg或500Wh/L),同时由于其化学成分相对稳定,还具备高可靠的安全稳定性｡锂锰扣式原电池标准工作电压为3V,相比其他类别原电池,如碱锰电池等有较高的电压｡同时,体积小､能量密度高,通常应用于小型､轻薄的电子产品,如超薄遥控器､计算器等｡

3、电子价签微电源解决方案

3.1行业痛点

传统有线供电解决方案成本高昂,布线过程复杂,并且极大地限制了ESL设备的灵活部署｡在超市货架布局需频繁调整的应用场景下,有线供电方式会削弱产品优势并伴随高额成本｡同时,无线供电解决方案因早期普通电池的续航能力不足,需人工频繁更换,同样增加了运营成本,且电池更换不及时可能会导致数据显示错误或缺失,影响使用端的体验及功能有效性｡

3.2锂锰扣式原电池适配性

(1)高功率特性:锂锰扣式原电池经过改良后具有较好的高功率特性,足以支撑ESL红外或者蓝牙信号传输瞬态的峰值电流｡以常州宇峰电池有限公司的高功率CR2450HenliMax为例,单颗电池足以满足小型ESL设备50mA的瞬态电流要求,完美解决了早期普通锂锰扣式原电池的痛点｡

(2)高能量密度:锂锰扣式原电池能够在有限体积内储存较多能量,可达110mAh/g,为ESL提供较为持久的电力支持｡以常见的CR2450电池为例,2颗电池即可为小型ESL设备提供5年以上的电量保障,有效减少了电池更换频次,降低了长期运营成本,同时扩大了ESL产品优势｡

(3)良好的环境适应性:锂锰扣式原电池能够在较宽温度区间内维持相对稳定的工作性能,无论是常温环境或是超市冷藏区的低温环境,均能确保ESL正常工作,以保障零售业务的连续性及准确性｡

(4)小型化与便携性:锂锰扣式原电池体积小巧,外壳坚固,便于集成到ESL设备中,有利于ESL设备外观小型化与轻薄化的设计,提高了产品整体竞争力｡

(5)高性价比:锂锰扣式原电池经过多年的商业化发展,在国内已经形成了较为完整的产业链及成熟的行业标准,是较高性价比的微电源解决方案｡

4、用于电子价签的锂锰扣式原电池的研究与实现

锂锰扣式原电池作为ESL的主要电源解决方案,行业应用愈发广泛,对电池的性能要求也日益提高,推动了国产锂锰扣式原电池厂家不断技术创新,实现了电池性能的全方位优化提升｡

(1)耐存储性:通过结构性优化降低电池自放电率,延长电池使用寿命｡

锂锰扣式原电池行业内通常将锂锰扣式原电池在60℃环境下搁置20d作为模拟一年期老化的方式｡例如以CR2450电池作为测试对象,将电池置于60℃恒温箱内,每隔20d取出若干个,于室温(23℃±3℃)静置24h以上,再使用放电仪在室温下进行恒阻放电至截止电压｡

结果如图2所示,普通电池模拟老化储存十年后,容量仅有初始状态的85%,而十年期电池容量仍能保持初始状态的约95%,其容量衰减得到延缓｡

图2 CR2450电池优化前后存储容量变化趋势图

(2)定制化:通过对锂锰扣式原电池的定制化设计,实现焊脚､焊线､串并联等多种电池组合形态模式,以满足ESL多样化的性能及外观需求｡

为了配合应用端的各类需求,ESL的外形设计越来越丰富,功能需求也越来越多,电池的连接､组合､安装方式因而变得尤为重要｡如图3a所示,通过定制化设计的焊脚电池能够将电池通过焊锡的方式固定在PCB板上,既满足批量自动化生产的要求,又有效解决了震动造成的器件接触不良的问题｡如图3b所示,通过定制化设计多颗电池并联组合,有效增大了电源容量,为ESL更多的功能要求提供充沛的电量支撑,同时,插线的方式便于电池的更换｡

图3 定制化焊脚焊线电池

(3)容量提高:通过改进电池材料､配方及结构,提高电池容量,满足ESL对电源续航能力的进阶要求｡

(4)功率提升:成功研发出高功率电池,打破传统电池“工作电流小”的瓶颈局限｡

常规锂锰扣式原电池以小功率､高容量的特性广泛应用于低功耗微电子行业｡当有功率要求时,电池往往不能将容量完全有效释放,其真正能为ESL供电的部分,称之为有效容量｡有效容量与标称容量的比值为能效比｡如图4a､4b所示,常规电池在ESL中的能效比仅能达到50%至60%,而锂锰扣式原电池经过多年的发展,逐步提高了电池功率性能,成功将电池在ESL应用中的能效比提升至80%以上,直接延长了ESL的使用周期,降低了工业浪费｡常州宇峰电池有限公司作为国内锂锰扣式原电池最早接触并进入ESL行业的先驱者之一,敏锐捕捉到该行业对电池脉冲的特殊需求,自2007年起投入大量研发资源进行针对性攻关,成功研发出高功率型锂锰扣式原电池,且在实际应用场景中得到验证｡此款锂锰扣式原电池为ESL提供了6年以上的稳定电力支持,见证并助力了ESL行业的演进与发展｡

图4 不同CR2450电池在ESL中能效对比图

(5)安全性提升:通过密封技术优化,提高了锂锰扣式原电池的可靠性和稳定性｡

仍然以60℃环境下搁置20d作为模拟一年期老化的方式,以CR2450电池为测试对象,将电池置于60℃恒温箱内,每隔20d取出,于室温(23℃±3℃)环境静置24h以上,再使用电子天平测量对应电池的重量,计算电池的累计失重率,优化提升后电池的失重率远低于普通常规电池｡测试结果说明,通过优化密封技术可以大幅降低电池在存储后的重量损失,使电池更加稳定｡

5、展望未来

随着物联网和智能化技术的发展,ESL行业也将迎来更多的机遇和挑战｡锂锰扣式原电池作为ESL系统的重要组成部分,其发展趋势或将呈现以下特点:

更高能量密度:新材料和制造工艺的不断突破将推动锂锰扣式原电池能量密度的进一步提升,实现超长电池寿命｡

更强环境适应性:通过配方的优化或定制化,锂锰扣式原电池将实现在更多极端环境条件下的良好性能表现,实现ESL系统在更广泛应用场景的可行性｡

智能化管理:智能芯片的集成将使锂锰扣式原电池具备更精确的电量监测和管理功能,提高电源系统的可靠性和稳定性｡

标准化与定制化并存:一方面,电池行业有望建立更为统一的标准,提高电池的通用性与互换性,从而降低生产成本与维护难度,促进整个行业的规模化发展;另一方面,根据不同ESL应用场景与设备需求,提供定制化的锂锰扣式原电池解决方案,以实现精准匹配与应用优化｡

随着环境保护和社会责任意识的提升,锂锰扣式原电池的绿色化､可回收化也将成为重要的课题｡

6、结语

ESL行业的发展与电源技术的进步息息相关,锂锰扣式原电池凭借其独特性能优势在ESL行业中占据着关键地位｡从早期满足基本电源需求到如今伴随行业发展不断创新提升,锂锰扣式原电池在能量密度､寿命､环境适应性等多方面均取得了显著进步｡紧随技术的持续创新,锂锰扣式原电池将继续在ESL行业中发挥核心作用,并迎接智能化､可持续性发展等领域的契机,助力多行业数智化的转型与发展｡

参考文献:

[1]邱明华.短距离无线通信在电子货架标签中的应用[D].北京:北京交通大学,2011.

[2]张彩祥.基于BLE的电子货架标签系统的研究与设计[D].广州:广东工业大学,2014

文章来源:郑金科.面向电子价签的锂锰扣式原电池的研究与实现[J].信息技术与标准化,2025,(03):38-41.