Apple Watch电池适用于便携式和可穿戴电子产品的新设计

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。根据我们的产品级别的拆解结果分析(Tear Down)，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(pouch cell)。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。为了进一步研究金属壳的相关应用，我们决定通过分析Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）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：

据发现，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、软包电池和钮扣式电池，如下图所示。

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，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Apple Watch  7系列智能手表（41mm）及其金属壳电池进行逆向工程

我们打开了一个Apple Watch 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Apple Smartwatch Series 7 （41mm）的拆解图。

表1比较了Apple Watch 7系列智能手表（41mm）电池与更大版本的电池（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%。Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）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。

表1：Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）和（45 mm）电池的比较

电池特性分析

为了进一步分析电池，Apple Watch 7系列智能手表（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。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（dq/dV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，阴极为锂钴氧化物，阳极为石墨。

图3：Apple Watch 7系列智能手表 （41 mm）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Apple Watch 7系列智能手表（41 mm）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110mΩ。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~0.4Ω；随着电池充电，充电电阻下降35%。

图4：Apple Watch 7系列智能手表（41mm）电池在充电状态为3%、25%、50%、75%和100%时的奈奎斯特图。

通常情况下，容量越小的电池内阻越高。然而，就Apple Watch 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： Apple Watch 7系列智能手表（41mm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。阳极集电器焊接到镍极耳（阳极电极）上，镍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Apple Watch 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钴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（41mm）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。

图8：Apple Watch 7系列智能手表（41mm）电池金属壳的SEM横截面图。

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~100μm，使电池的总厚度在宽度、长度和高度方面增加了200μm（0.2mm）。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，如报告【2】所示。 

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。

总结：

在这篇材料中，回顾Apple Smartwatch Series 7（41mm）智能手表系列申请专利并由德赛公司制造的锂离子电池的新设计。本设计中，电池的极芯被装在一个不锈钢外壳中，整个外壳与电池的负极相连。电池阴极由CoO₂组成，阳极由石墨组成。电极被两面涂有陶瓷的聚合物隔开。与标准的软包电池相比，这个新的实施例提供了以下所述的几大优点。

这种新设计不会增加电池的能量密度；然而，它减少了电池和其他元件之间所需的间距，从而可以在保持电池安全的同时，生产更小的消费性电子产品。在这种设计中，电极装置与外壳电耦合以形成共用接地点，从而允许其他部件接触电池外壳，而不会导致短路或腐蚀部件。此外，如果存在膨胀，这种新的软包设计允许鼓包，从而使电池的整体尺寸保持不变。

有关这种电池的更多详情和分析，可参见“德赛（Desay）A2663金属壳电池（Apple Watch 7系列智能手表-41 mm）概要”报告。

References

• Yuan, X., H. Liu, and J. Zhang. "Lithium-ion batteries: advanced materials and technologies. CRC." (2011).
• Pelletier, David M., et al. "Metal can battery." U.S. Patent Application No. 16/883,959.
• TechInsights对于Desay A2663 Metal Can Battery的分析报告链接Report