电子没有简单事：带你深入了解电池技术

　　本文作者是具备30年以上经验的电子工程师，对许多技术领域都有涉猎，包括数位、类比、电源、通讯、微控制器…等等。因为他在电池技术方面有些研究，于是写了一系列的专栏，为读者介绍各种电池种类、相关技术、专业术语、规格以及使用环境。

　　接下来的文章，作者将详细介绍各种类型的电池，并了解如何针对特定应用选择适合的电池技术。电池是在1800年由义大利物理学家Alessandro Volta 所发明，如果Volta还在，应该会对目前他的发明如此无所不在(而且多样化)而感到惊叹。

　　但其实在某些应用中，选择使用电容器或许比电池更适合。很惊讶吗?也许在它们强调具备稳定、高浪涌能力供电时，你可能考虑过采用电容器;有时候涉及极轻负载，也有可能忽略常规的电源应用，而考虑采用超级电容。当我们进一步讨论到电池的专业术语以及技术，希望能进一步厘清电容器与电池该如何抉择。

　　而要针对一项特殊应用来选择电池技术，要考量的因素有很多;除了相对尺寸、重量与成本(有便宜的、也有贵的，还有你根本负担不起的!)。在接下来的系列文章中，笔者计划将涵盖的两大重点包括：

　　1. 使用与储存环境：这方面将探讨的包括温度、大气压力、海拔高度、机械应力、振动、安装位置、辐射硬化(radiation hardening)、腐蚀侵袭、包装/形状、储存与保存期限、产生的废弃物/气体、所需耗材、安全性、材料、RoHS规范…等等。

　　2. 应用：类型(包括主要、次要以及智慧型)、技术、化学品、效率与耗损、充放电周期与速度、放电深度、使用寿命、记忆效应、充电技术、电容/电池混合技术、容量、密度(能量与重量)、保护电路、量测与计量(gas gauge)、品质、可靠度、充电与运作时间。

　　自从Volta发明第一代电池，多年来电池已经演变出许多种类，包括以下这些技术：铅酸(PbX)、镍镉(NiCd)、镍氢(NiMH)、镍锌(NiZn)、氧化锌(ZnO)、锌碳(Zinc-carbon)、氯化锌(ZnCl2)、锌二氧化锰(ZnMnO2，即硷性电池)。

　　还有一系列的锂电池：锂-二硫化铁(LiFeS2)、锂-二氧化锰(LiMnO2)、亚硫醯氯锂(LiSOCl2)、氟化碳锂聚合物(LiCFX)、锂二氧化硫(LiSO2)、锂碘(LiI2)、锂氯化铝(LiAlCl4)、锂钴氧化物(LiCoO2 ，LCO)、磷酸铁锂(LiFePO4，LFP)、锂锰氧化物(LiMn2O4，LMO)、锂镍锰钴氧化物(LiNiMnCoO2 ，NMC)、锂镍钴铝氧化物(iNiCoAlO2，NCA)、钛酸锂(Li4Ti5O12，LTO)。

　　此外还有氧化银(Ag2O)、银锌(AgZn)、硫化钠(Na2S4)，以及核子或原子电池。

　　何谓电池?

　　以传统的观点来看，电池是一种内含化学反应物质并藉此产生电力的装置，但这种定义随着时间演进已经开始模糊;这会是一个有趣的话题，也许我们能在这一系列文章的最后，再来好好讨论一番。

　　诀窍1.：开始选择电池

　　笔者选择电池都是先看应用环境，通常我们能将技术选择范围根据环境上的限制来缩减;举例来说，当电池运作环境温度达到325°C，就可以不用浪费时间去找锂电池，在那样的环境之下，标准锂电池无法涉足但钠硫(sodium-sulfur)电池则能生存。另一个例子是需要周期性加水的旧式(非胶状)铅酸电池，这种电池自然无法在完全密封的环境中使用。

　　诀窍2.：能量与功率的差异

　　能量(Energy)与功率(Power)这两者常会让人混淆，需要特别注意的是，电池可储存的是潜在的能量，当负载电流时，那些潜在能量才会被转换为电功率，在几伏特电压(V)之下可达到几安培电流(A)，然后计算出是几瓦功率(W=V×A)。可传递到负载的总能量，是瞬时电压乘以瞬时电流，也就是v(t) x a(t)，以时间来求积分──因为能量的单位是焦耳(joule，J)，即功率乘以时间秒数。

　　规格与专业术语

　　我们似乎总希望找个拥有最大的「冲击力(wallop)」的电池，但能接受的价位是多少?需要多大的尺寸与重量?显然我们总是会做一些折衷，因此我们需要知道制造商是如何详列所有这些技术规格;在未来的文章中也会再更详细提到这些，以下我们先介绍几个相关术语与规格。

　　˙一次与二次电池(primary / secondary batteries)：所谓的一次电池就是那些能在组装之后立即产生电压、马上应用的产品，但大多数无法充电;二次电池则能在组装、第一次使用之后进行充电，而且通常是可以重复充电。

　　˙智慧型电池(smart type)：这种类型的电池包含用以监测电池、并将电池装态与外部应用装置通讯的元件或电路，通常该监测电路所提供的资讯包括充电状态、温度或环境资讯、电池健康状态、使用年限、产品序号/型号…等等;有部分电路则是负责电源管理或是防止过电流等安全功能。如果一颗电池有四个以上的连结介面，它就很可能是智慧型产品，未来我们还会介绍相关议题。

　　˙内部电阻(internal resistance)与最大内部电阻：电池的内部电阻量测单位是欧姆(ohm)，为电池内产生电压之零件并联作用产生的有效直流(DC)电阻。而最大内部电阻规格，则是基于安全性操作以及制造商要求，在充放电时的内部电阻最坏情况。要量测DC内部电阻，笔者通常使用两阶段DC负载(two-tier DC-load)方法。

　　继续介绍各种与电池相关的专业术语：

　　˙能量密度(energy density)：以瓦特小时/每公升(Wh/L)或兆焦耳/每公升(MJ/L)为单位的能量对容量(或能量对尺寸)比;这个数字基本上是定义一颗电池以以尺寸来看，一颗电池的「强壮度」，也有的製造商以焦耳/每公升(J/L)来表示。

　　˙能量/消费价格(energy/consumer-price)：以瓦特小时/一美元(Wh/$US)为单位，这允许不同的能量源在成本方面进行比较;有时这个比数与单位会反转，例如美元/千焦耳($US/kJ)。

　　˙功率比(specific power)：以瓦/每公斤(W/kg)为单位的功率对重量(或功率对质量)比值，这与能量比数不同，指的是一颗电池能提供的功率大小，数字越高通常意味着内部电阻越低。当负载电阻等于电池内部电阻与所有线路、连接器的电阻总和时，最大功率会传递至负载电流;不过因为高I2R损失，这种情况对于总能量传递并不非常有效。

　　˙电池芯(Cell)：能以基本化学反应而产生电压的最小电池封装单位，若单一电池芯无法产生足够的电压、电流、功率或运作时间，可以将数个电池芯以模组或更大的封装方式连结在一起。有部分化学物质，电池封装或模组製造商必须要经过训练或认证才能进行销售，这是基于安全性、相关元件、电路以及对化学塬料使用的一些特定需求。