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电子没有简单事:带你深入了解电池技术

时间:11-19 来源:EETIMES 点击:

  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

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