為應用選擇最合適的電池
2022-07-21
作者
Ansys供稿
關於電池選擇要記住的一件事是，沒有適合於所有應用的完美電池。要為應用選擇合適的電池，就需評估最重要的幾項電池指標，並在這些指標之間進行取捨…
關於電池選擇要記住的一件事是，沒有適合所有應用的完美電池。要為應用選擇合適的電池，就需評估最重要的幾項電池指標，並在這些指標之間進行取捨，例如，如果需要大功率的應用，那就需要將電池內阻降至最低——這通常會透過增加電極表面積來達成；但這同時也代表需要增加集電器和導電助劑等非活性元件，等同於犧牲了能量密度以提升功率輸出。
雖然可能有很深遠的電池設計目標，但在實際上，可能不得不在不同目標之間做取捨，以實現最佳的電池性能(圖1)。本文試圖讓讀者了解，做出正確的取捨，才能為應用找到最合適的電池。本文將分為三部分，第一部分討論為消費性電子應用選擇合適的電池時的重要考量因素，這些包括充電能力、能量密度、功率密度、保存期限、安全性、外形與尺寸、成本和靈活性；第二部分將討論化學如何影響主要的電池性能指標，從而影響電池的選擇；在第三部分中，將研究常見的次要電池化學成分。
圖1：電池設計與性能。
電池選擇的重要考量因素
在決定使用哪種電池時，請務必考量以下四個因素：
1.原電池VS.蓄電池：電池選擇的首要考量之一，就是決定其應用需要使用的是原電池(一次性)或是蓄電池(可充電)。在大多數情況下，這對設計師來說是一個容易的決定，非常態性的應用(如煙霧警報器、玩具或手電筒)和不可充電的一次性應用(如助聽器、手錶、電子賀卡和心律調整器)皆需要使用原電池。如果電池長時間連續使用(例如在筆記本電腦、手機或智慧手錶中)，則可充電電池更合適。
原電池的自放電率要低得多——在首次使用前無法充電時，這是一個具有優勢的特性。蓄電池則是有較高的功率耗損，然而這在大多數應用中不太重要，因為可重複充電。
2.能量VS.功率：電池的運作時間由以毫安/小時(mAh)或安培小時(Ah)表示的電池容量決定，並且是電池可以隨時間提供的放電電流。在比較不同化學成分的電池時，查看能源含量是很有用處的。要獲得電池的能源含量，請將電池容量(以Ah為單位)乘以電壓，以獲得以每瓦特/小時(Wh)為單位的能量。例如，1.2V的鎳氫電池和3.2V的鋰離子電池可能具有相同的容量，但鋰離子的較高電壓會增加其能量。
開路電壓通常用於能源計算——即未連接到負載時的電池電壓，然而，容量和能量在很大程度上取決於能量消耗率。理論上，容量僅由活性電極材料(化學)和活性質量決定；然而實際上，由於存在非活性材料和動力學限制，導致實際的電池只能達到理論中容量的一小部分。這些會使我們無法充分利用活性材料，並在電極上產生堆積。
電池製造商通常會在指定的放電速率、溫度和截止電壓的條件下，標示其電池容量。指明的容量將取決於以上三個因素，在互相比較製造商的容量等級時，請特別關注能量消耗率。如果其應用的電流消耗較高，則在規格表上看似具有高容量的電池，實際上的效能可能不盡理想。例如，將一顆標示為2Ah的電池，連續放電20小時，仍無法提供1小時的2A電流，而只能提供一小部分容量。
高功率電池以高耗電率提供快速放電能力，例如電動工具或汽車啟動電池，通常高功率電池就具有低能量密度。可以把功率與能量之間的關係，想像成一個有出水孔的水桶(圖2)，越大的水桶可以容納更多的水，就如高能量的電池。出水孔的尺寸就類似於電池的功率——功率越高，能量消耗率越高。要增加電池能量，通常會將電池尺寸設計的更大；若要增加功率，則會降低電池內的電阻。總歸一句，電池結構設計與高功率密度的電池的關係密不可分。
圖2：電池能量vs.功率。
可以比較教科書中，不同化學物質的理論和實際的能量密度。但是，由於功率密度在很大程度上取決於電池結構，因此幾乎無法在這些教科書中能找到相關的數值。
3.電壓：電池工作電壓是另一個重要的考量因素，由所使用的電極材料決定。一個簡便的電池分類方式，是將其分類為水基或水性電池與鋰離子電池。鉛酸、鋅碳和鎳金屬氫化物(NiMH)均使用水基電解質，其電壓範圍為1.2~2V。另一方面，鋰離子電池消耗的是有機電解質，其電壓為3.2~4V (原電池與蓄電池皆是)。
許多電子元件的最低工作電壓為3V。鋰離子電池的工作電壓更高，因此可以只使用單顆電池，而不用串聯兩或三個水性電池來構成所需的電壓。另一件值得注意的是電池化學成分，如二氧化鋅錳(Zn/MnO2)具有較陡斜的放電曲線，而另一些則具有較平坦的曲線，這些會影響截止電壓(圖3)。
圖3：基於電池化學成分的電壓圖。
4.溫度範圍：電池化學成分決定了應用的溫度範圍。例如，基於水性電解質的鋅碳電池不能在低於0℃ (32℉)的溫度下使用。鹼性電池在這些溫度下也表現出容量急劇下降，儘管還是比鋅碳電池好些。具有有機電解質的鋰一次性電池，可以在-40℃的溫度下運作，但性能也會顯著下降。
在可充電的應用中，鋰離子電池只能在大約20~45℃ (68~113℉)的狹窄範圍內，以最大速率充電。若超出此溫度範圍，就需要使用更低的電流/電壓，也代表需要更長的充電時間。在低於5或10℃ (41~50℉)的溫度下，可能需要進行涓流充電以防止可怕的鋰電池枝晶鍍層問題，這會增加熱失控的風險。我們都聽說過鋰離子電池爆炸，這很可能是因為過度充電、在低溫或高溫下充電或因雜質造成短路而發生的悲劇。
電池的其他考量因素
除了上面列出的四個主要考量因素之外，在為特定應用選擇電池時，下面列出的基本因素也會影響電池的性能表現。
- 保存期限：電池在使用前在儲藏室或架子上放置多久，是一個重要的考慮因素。(不可充電)原電池的保存期限比(可充電)蓄電池要長得多。然而由於蓄電池具有充電能力，因此原電池的保存期限通常更為重要，但其中的例外是，當蓄電池無法再進行充電的時候。
- 化學反應：上面列出的許多特性都是由電池化學所決定。
- 物理尺寸和形狀：電池通常有不同的尺寸規格，例如鈕扣電池、圓柱形電池、方形電池和軟包裝電池(其中大部分是標準化)。
- 成本：有時可能需要放棄具有更好性能特性的電池，因為其應用成本太高，對於一次性的大容量應用更是如此。
- 運輸和存放規定：鋰電池的運輸通常會受管制。某些電池化學物質的存放也處於管制之下，這可能會是大容量應用需考量的因素。
如上述所提，選擇電池時需要考量很多因素，其中一些與化學有關、有些與電池設計和構造有關。若缺乏了解可能影響特定指標的因素，會使在比較電池的各項指標時更加困難，有時甚至會進行毫無意義的比較。
常見的原電池化學成分
前面第一部分討論了電池選擇的最重要指標。接下來的第二部分將討論控制電池選擇的最重要方面之一：電池單元化學組成。許多重要的電池特性，例如能量密度、可燃性和安全性、可用的電池結構、溫度範圍和保質期，都取決於電池化學成分。因此，先來看看最常見的原電池化學成分。
鋅碳電池已經存在了100多年，它們成本低，有多種形狀和尺寸可供選擇。然而，在過去的幾十年裡，它們的市場佔有率已經被新的化學物質所取代，但它們仍然用於低消耗間歇性的應用，如遙控器、手電筒和時鐘。
鹼性鋅電池是Lewis Urry在Everready Battery Company工作時發明的。與鋅碳電池相比，它們提供更高的倍率性能和更長的保存期限。Urry的創新包括用鋅粉代替鋅外殼(圖4)、大幅增加表面積和提高放電率能力，他還用氫氧化鉀(KOH)代替了酸性電解質，進一步降低了內阻並提高了倍率性能。Urry在工廠自助餐廳透過兩輛玩具車賽車向老闆展示了他的發明，一輛裝有傳統的鋅碳D電池，另一輛裝有他的新電池，第一個幾乎沒有移動，而第二個沿著自助餐廳走了幾圈。
圖4：鋅碳電池的橫截面。
鹼性鋅電池用於電池間歇性的應用，但需要在可靠地運作並暴露在不受控制的儲存條件下的應用中，例如煙霧警報器和手錶。
鋅-氧化銀電池具有高能量密度、長保存期限和平坦的電壓放電曲線。它們通常用於便攜式和微型電子應用，例如手錶、計算機、助聽器和玩具。當需要高功率時，它們使用鋅陽極、氧化銀陰極和氫氧化鉀電解質，如果需要更長的保存期限，則使用氫氧化鈉(NaOH)電解質。銀的高成本主要將這種化學物質限制在小型電池中，但在太空和軍事應用中這些成本就微不足道了。
為什麼在微型電子應用中使用氧化鋅銀電池而不是鋰離子電池？寵物或兒童誤食小型電池的安全問題，對鋰化學電池來說是一場惡夢。此外，由於有機電解質的低電導率，鋰離子化學有利於更大的表面積與更高倍率容量的應用。
鋅空氣電池最常用於助聽器，因為它們具有高能量密度、理想的應用電壓，以及在活化前的長時間保存期限。電池化學使用鋅陽極、氫氧化鉀電解質和空氣作為陰極。透過移除密封片來活化電池，並將空氣導入電池中，使用空氣代替金屬氧化物等傳統陰極元素可以製造更小、更輕的電池。但其缺點包括對環境敏感，一旦電池被活化，它們就必須被迅速使用完畢。
鋰是元素週期表中最輕的金屬，容量為3,860mAh/g，而鋅為820mAh/g。鋰還具有3.045V的電化學還原電位，而鋅則為0.76V (即鋰基電池提供3V或更高的電池電壓)，這兩種特性的結合為鋰基電池帶來了非常高的能量密度。然而，鋰對水具有高度反應性，與鋅不同的是，鋰不能與水性電解質一起使用。有機電解質是常被使用的，但與氫氧化鉀、氯化鋅等水系電解質相比，它們的電導率相形見絀，限制了鋰電池的功率輸出(為了獲得功率，需要低電池電阻和高電解質電導率)。然而從好的方面來看，有機電解質的冰點較低，使其能夠在比水系電解質電池系統更低的溫度下運作。
一般的鋰原電池
鋰-二氧化錳(Li-MnO2)電池使用鋰金屬作為陽極和二氧化錳陰極，有鈕扣和圓柱形形式。由於有機電解質的電導率低，鋰-二氧化錳電池設計有利於大表面積電池結構，例如鈕扣電池和芯卷結構而非線軸型電池，得以以最大限度地降低內阻並提高功率容量。鋰鈕扣電池的運作電流也比氧化鋅銀電池低，得以以最大限度地減少內阻和電池發熱。
圖5：芯卷結構針對功率進行了最佳化。
鋰-硫化鐵電池在1.5V時提供了比鹼性電池更高的能量密度，同時在性能上也相對卓越，具高耗電率、更長的保存期限、更好的抗洩漏性、更寬的工作溫度範圍，以及更輕的重量。這些電池單元用於數位相機和攝影機，其缺點包括由於陽極中的鋰金屬含量和較高的成本造成在運輸上受限制(每位搭乘飛機的乘客被限制只能攜帶鋰含量小於2克的鋰電池，或經過航空公司同意可攜帶鋰含量小於8克的可充式鋰電池)。這些電池具有正溫度係數(PTC)安全開關，可在電池過熱時用作電流限制器。
電池化學成分決定了許多電池性能並影響了電池特性，因此成為電池選擇的關鍵考量因素。以下第三部分將深入探討蓄電池的化學組成。
蓄電池的化學組成
以下為最常見的蓄電池(可充電電池)的化學成分：
1.鋰離子電池：鋰是元素週期表中最輕的金屬，其容量為3,860mAh/g，而鋅為820mAh/g (電池容量決定了設備與裝置可通話或運作時間)。前面也提到過，鋰具有3.045V的電化學還原電位，鋅則為0.76V，這兩種特性的結合為鋰基電池帶來了非常高的能量密度。
雖然使用鋰金屬的電池可以提供極高的能量密度，但當這些系統充電時，其風險在於它可能穿透隔離膜、形成鋰枝晶並造成短路。我們都聽說過溫度升高導致鋰電池爆炸和熱失控的風險，這種風險可以在鋰離子電池中得到緩解。在這種電池中，鋰是以非金屬的形式，而是以鋰離子在陽極和陰極之間來回移動。鋰離子電池可以交換能量密度(與鋰金屬相比)，使其能夠以相對穩定和安全的方式充電。
由於其出色的能量密度和較長的循環壽命(超過1,000次循環)，這些可充電系統被廣泛用於各種應用，例如手機、筆記型電腦、充電式混合動力和電動車。在最常見的鋰離子電池組成中，陽極通常是石墨片，陰極是鋰鈷氧化物，電解質是有機溶劑中的鋰鹽。
由於鋰對水具有高度反應性，因此與鋅不同，它不能與水性電解質一起使用。有機電解質是常見的——但與氫氧化鉀、氯化鋅等水性電解質相比，它們的電導率相對較差，並且限制了鋰電池的功率輸出(為了獲得功率，需要低電池電阻和高電解質電導率)。由於有機電解質的低電導率，鋰電池的電池設計傾向於大表面積結構，例如鈕扣電池和果凍卷結構而不是線軸類型，以最小化內阻並提高功率能力。換句話說，必須依靠電池結構來增加鋰電池的功率輸出。
3.6V或更高的高電池電壓意味著高壓應用需要更少的電池單元。例如，一個鋰電池可以替代三個電池電壓為1.2V的鎳鎘或鎳氫電池，然而與鉛酸電池不同的是，這些電池可以進行深循環。
2.鎳氫電池：鎳金屬氫化物電池使用氫氧化亞鎳陰極、儲氫合金作為陽極(代替鎳鎘電池中的鎘)和鹼性電解液。它們具有良好的高功率能力，但在能量密度方面無法與鋰離子電池相提並論。一個1.2V電池系統對過度充電和過度放電都具有彈性，可以在-30~75℃之間運作。雖然鋰離子電池已在許多消費類應用中取代了該系統，但鎳金屬氫化物仍可用於混合動力車，甚至可以使用長達10年以上。其活性化學物質本身也比鋰系統更安全，並且不需要使用複雜的電池管理系統。在攜帶式工具等相關應用中，鎳氫電池的成本也能夠與鋰離子電池相互競爭。
3.鉛酸電池：鉛酸電池的能量密度低，但由於能夠以低成本的方式提供高峰的電流，因此被廣泛用於汽車的啟動電池。沒有其他電池系統能夠像鉛酸那樣廉價可靠地提供高功率速率能力，而且這個系統已經使用了140年！難怪這種電池系統可用於高爾夫球車、叉車、UPS車輛、電動滑板車和電動輪椅等應用。由於它們的能量密度低，可能不會看到該系統用於消費類應用。
4.鎳-鎘電池：由於鎘的毒性導致自1990年以來，鎳鎘電池的市場已被鋰離子和鎳氫電池所取代。鎳鎘電池提供1.2V的電壓，並使用鹼性電解質。鎳鎘電池提供高放電率的能力，使攜帶式電子應用得以成功進入市場。該系統的優點包括高循環壽命、較寬的溫度範圍和相對較高的濫用耐受性，然而，由於鎘的毒性，這種電池正在被許多消費者應用逐步淘汰。
電池選擇須考量許多因素，例如性能、成本、安全性和保存期限等。評估應用所需的最重要的幾項電池指標是個好的出發點，其有助於縮小化學和設計選項的範圍。
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年7月號
