【電池設計】如何選擇最適合的電池 Part 2:常見的原電池化學成分

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發佈日期 2022-08-25


【電池設計】如何選擇最適合的電池 Part 2:常見的原電池化學成分

在這個由三部分組成的部落格文章系列的第 1 部分中,我們討論了電池選擇的最重要指標。 關於電池選擇要記住的一件事是,它本質上是關於取捨管理。 您為了獲得另一個特性而犧牲了另一個特性——例如,為了獲得功率密度,你可能不得不降低能量密度。

在本文和後續的部落格文章中,我們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,讓我們來看看最常見的原電池化學成分。

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。

 

1:鋅碳電池的橫截面。

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 1)、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。

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,例如煙霧報警器和手錶。

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、計算器、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,並將空氣引入電池中。 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。

鋰原電池: 鋰是元素週期表中最輕的金屬,容量為 3860 mAh/g,而鋅為 820 mAh/g。 鋰還具有 3.045 V 的電化學還原電位,而鋅則為 0.76 V(即鋰基電池提供 3 V 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行。

一般的鋰原電池

鋰- 二氧化錳電池,使用鋰金屬作為陽極和二氧化錳陰極,有鈕扣式和圓柱形形式。 由於有機電解質的電導率低,Li-MnO2 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。

線軸型電池針對能量進行了最佳化。

芯卷結構針對功率進行了最佳化

鋰-硫化鐵電池在 1.5 V  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。 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。接續本文章的下一篇文章中,我們將深入探討蓄電池的化學組成。

 

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