【電池設計】如何選擇最適合的電池:電池指標的重要性

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發佈日期 2022-08-11


【電池設計】如何選擇最適合的電池:電池指標的重要性

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。 要為您的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,如果您需要大功率的應用,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。

雖然您可能有很深遠的電池設計目標,但在實際上,您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)。

在這一系列的部落格文章中您將了解,做出正確的取捨,才能為您的應用找到最合適的電池。Part 1 討論了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。 Part 2 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 Part 3 中,我們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,請務必考量這四個因素。

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(如煙霧報警器、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、手機或智能手錶中),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

電池的運行時間由以 mAh(毫安/小時)或 Ah(安培小時)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,1.2 V 的鎳氫電池和 3.2 V 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ㄧ顆標示為 2 Ah 的電池,連續放電 20 小時,仍無法提供 1 小時的 2 A 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桶。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,我們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

您可以比較教科書中,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,因此您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 至 2 V。另一方面,鋰離子電池消耗的是有機電解質,其電壓為 3.2 至 4 V(原電池與蓄電池皆是)。

許多電子元件的最低工作電壓為 3 V。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。例如,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° C (32° F) 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,可以在高達 -40° C/F 的溫度下運行,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° 至 45° C(68° 至 113° F)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° C(41 到 50° F)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的。 我們將在本部落格系列的下一部分,討論常用的電池化學物質。

► 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的)。

► 成本

有時您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。

► 運輸和處置規定

鋰電池的運輸通常會受管制。 某些電池化學物質的處置也處於管制之下。 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。我們將在下一篇文章中探討這個主題。

(資料來源 Ansys Inc.

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