無續航力無未來 電池技術成穿戴式裝置實用關鍵
- DIGITIMES企劃
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自從蘋果的Apple Watch現身之後，電池續航力就成為市場矚目的焦點，尤其是蘋果初期的三緘其口，更讓各界擔心Apple Watch的實用性，直到產品正式發表後，蘋果執行長Tim Cook確定Apple Watch整晚充電後，電池電力能查看時間、接收通知、使用app以及進行一次30分鐘的體能訓練等應用，約可對應18小時連續使用電力，大致上可對應多數使用者一天內的使用模式，才一解各方疑慮。
即使如此，還是有不少使用者對Apple Watch的電池續航力頗有微言，也正顯示電池技術對穿戴式裝置的實用價值，有著重大影響。供應鏈業者也指出，穿戴式裝置現階段主要關鍵問題在於電池續航量不足，若能持續降低耗電量，拉長穿戴式裝置續航力，穿戴式裝置市場才能更進一步持續開展。
可撓式設計成關鍵技術
穿戴式裝置為了讓使用者配戴時，不會有存在感，以免造成生活上的不適，產品設計上不但必須更為輕薄短小，不管是整機設計或是零組件搭配，重量及體積的限制都相當嚴格，而且對軟性零組件、可撓式設計的需求也更為重視，以便讓穿戴式裝置的設計，能更貼近人體工學。
但如此一來，穿戴式裝置的內建電池與電源供應難度也將大增，而且在穿戴式裝置已經相當小的體積中，還得放入各式感測器及藍牙通訊元件等零組件，即使這些零組件都採用低功耗與低電壓設計，穿戴式裝置的續航力能否滿足使用者需求，其實仍是一大挑戰。
目前市面上的穿戴式裝置採用的電池技術，主要是安全性較高的鋰高分子電池，以智慧手環為例，電池容量大多在100毫安時(mAh)以下；智慧手錶所搭配的電池則多在200mAh以上，由於鋰電池接觸空氣或水就會立即故障，因此必須以鋁塑模或鋁罐包裝隔絕，但鋁材雖然有彈性，仍不能滿足可撓式設計的需求，因此在提升續航時間與產品造型等考量下，穿戴式裝置顯然還需要更為先進的電池技術。
利用多顆小電池串並聯設計，來增加產品使用續航力，是其中一種可行方案，如Panasonic在2014年底發表代號為CG-320的鋰電池，直徑只有3.5mm，高度約2公分，重約0.6公克，體積約是AAA電池的1/20，外型有如別針大小，容量為13mAh，號稱是全世界最小的圓柱型可充電電池，就可適用於穿戴式裝置。
三星SDI(Samsung SDI)在InterBattery展示會中，也發表膠囊尺寸的超小型Pin電池。容量為10mAh，長20mm、直徑3.6mm。該產品體積僅筆記型電腦用圓柱型電池的80分之1。
三星SDI說明，該產品製造技術與筆記型電腦電池相近，並搭載超小型精密元件，將生產至成單純化，確保製造競爭力。Pin電池同樣適合應用在需要超小型電池的多元種類的穿戴式裝置上。
但如果從長遠來看，具有任意彎曲、高延展性等特性的可撓式設計，才是最適合穿戴式裝置的電池技術，如蘋果在2013所公開的可撓式電池專利，是把硬式電池黏附在軟式印刷電路板(Flexible Print Circuit；FPC)之上，藉由將電池細分、隔開包覆的方式，生產出可具備柔軟性質(可彎曲)的裝置，且除了充電池之外，上述可撓式電池也可嵌入太陽能電池，藉此延長穿戴式裝置的電池續航力。
三星SDI也已發表應用自行開發的材料與可撓式構造設計技術的可撓式電池，但除了能捲成紙杯程度的柔軟度之外，並未發布實際的曲率與電池容量，據了解電池容量高於目前試賣中的智慧手環。樂金化學(LG Chem)則開發出柔軟度能打結的纜線型電池，雖接近市場期待，但還未能達到量產階段，仍需要改善製程技術與材料以確保生產良率。
台灣輝能科技(ProLogium)也已發表FLCB(FPC Lithium-Ceramic Battery)「超薄軟板鋰陶瓷電池」，以固態鋰陶瓷電解質(Lithium-Ceramic electrolyte)取代傳統電池內的電解液，並結合軟性電路板製成，製造出可自由彎曲、不會漏液、無高可燃性物質，在受到穿刺、撞擊、切割後仍能安全放電的軟性電池，可以像紙一樣任意彎曲，厚度最薄更可達0.36mm。
目前的FLCB電池主要仍以支援性功能為主，包括智慧型手機的皮套，可以作為行動電源，或智慧手錶的錶帶，延續智慧手錶的電力。FLCB電池容量未來若能提高能量密度，且設法壓低價格，接近現在的鋰電池，也可望成為穿戴式裝置的電池解決方案。
打造省電平台也是解決之道
除了從電池技術著手外，如何為穿戴式裝置打造更為省電的平台，也是提升穿戴式裝置使用續航力的關鍵技術之一。如全球有線及無線通訊大廠博通(Broadcom)公司日前在MWC發布的新智慧手錶設計平台，為OEM廠商提供更多功能，包括整合感測器中樞的GPS與無線充電支援等，能讓Android穿戴式裝置節省更多電力。
博通指出，新智慧手錶設計平台比上一代節省約40%的電力，大幅改善穿戴式裝置最頭痛的耗電問題。透過小型的外觀設計與更優異的功能與效能，OEM廠商可在穿戴式裝置上增加更多功能或放置更大型的電池，以延長續航力。
此平台搭載了先進的應用處理器(AP)與Wi-Fi？藍牙組合晶片。OEM廠商也可以根據產品需求，自由整合具感測器中樞的GPS、NFC、無線充電技術與拍照功能的晶片。
德州儀器也於2014年年中時，針對穿戴式產品推出符合無線充電聯盟(WPC) Qi標準的2.5瓦接收器bq51003，尺寸大小為1.9×3.0mm，並可與該公司專為穿戴式裝置設計的單體鋰離子電池充電器模組相互搭配；而IDT則是在2014年下半年發布接收功率僅2瓦、尺寸大小為2.21×3.41mm的P9026，該產品同樣符合Qi標準。
身體自發電及無線充電技術受矚目
更為方便快速的充電方式，也是穿戴式產品技術的重點發展方向。如新加坡國立大學(National University of Singapore)科學家就發明利用身體擺動產生電力，透過輕薄且大小如郵票的奈米發電機(nanogenerator)，浮貼在皮膚表面上，利用摩擦發電效應(triboelectric effect)原理，透過與皮膚摩擦獲得電荷，等到二個物體分開後產生電流，並透過內建的50奈米金箔做為電極以收集產生的電力。
在實驗中，以單指做出彎曲動作可產生90伏特電力，足夠提供驅動12支LED燈所需電流。未來更可進一步取代包括智慧型手錶或健身追蹤器等行動裝置的內建電池，達到裝置設計輕量化的目的，甚至有朝一日完全取代智慧型手機上的電池也不無可能。
無線充電及太陽能充電技術，也是穿戴式裝置用來提高充電便利性的重要設計，而且可藉此讓電池經常保持在最佳電力狀態，進而延長穿戴式裝置的使用壽命，如Misfit和施華洛世奇(Swarovski)合作發表的太陽能充電智慧手環，只須每天日曬，或在鹵素燈下照射達15分鐘以上，即可維持運轉，對於不易甚至不能更換電池的穿戴式裝置而言，無線充電技術顯然會成為發展重點。
電池技術將因穿戴式裝置而有所突破
根據南韓電子新聞(ET News)報導，市調機構IHS Technology預估在2014年，以可撓式電池為主的穿戴式裝置用電池市場，將成長達600萬美元規模，而到2018年更高達7,700萬美元，此一數據還未包含智慧型手機，與平板電腦等非穿戴式裝置使用的可撓式電池。
市調機構HIS則是指出，無線充電接收器和發射器等晶片在穿戴式應用市場的銷售額，預估將自2014年的1,500萬美元，激增至2015年的4億8,000萬美元；至2019年更將突破10億美元大關。
由此可知，不管是可撓式電池、無線充電技術的發展，都可能因為穿戴式裝置的熱銷而受惠，成為下一代電子產品的核心要素，未來的主要挑戰，包括能否提供充足使用時間的能源密度、能柔軟彎曲的薄度、以及化學安全性等所有要求，方能滿足穿戴式裝置的使用需求。
