【電池設計】為您的應用選擇合適的電池 Part 3:常見的蓄電池化學成分

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發佈日期 2022-09-20


【電池設計】為您的應用選擇合適的電池 Part 3:常見的蓄電池化學成分

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幾個最重要的指標。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。

在這篇文章和先前的其他文章中,我們討論了管理電池選擇的最重要的幾個方面:電池化學。 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、溫度範圍和保存期限,都取決於電池化學成分。

間歇性使用的應用例如煙霧報警器、玩具或手電筒、一次性應用,或當充電不可行時,我們就需要使用原電池。 助聽器、手錶、電子賀卡和心律調節器就是很好的例子。 如果電池要連續且長時間使用,例如在筆記型電腦、手機或智慧手錶中,可充電電池(蓄電池)就會更合適。

讓我們來看看最常見的蓄電池(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 3860 mAh/g,而鋅為 820 mAh/g(電池容量決定了我們的設備與裝置可通話或運行時間)。 鋰還具有 3.045 V 的電化學還原電位,而鋅則為 0.76 V(即鋰電池可提供 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。

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 (Li-ion) 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 1000 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汽車。 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。

由於鋰對水俱有高度反應性,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,我們必須依靠電池結構來增加鋰電池的功率輸出。

3.6  V 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 1.2 伏的鎳鎘或鎳氫電池。 然而與鉛酸電池不同的是,這些電池可以進行深循環。

鋰電池的缺點源於鋰的活性非常高,需要依靠特殊的安全電子設備。 鋰離子電池也受運輸規定的約束(每位航空公司乘客僅限攜帶 2 克原電池中的金屬鋰或 8 克可充電鋰離子電池)。 安全問題包括在過度充電、濫用或在操條件之外使用時可能發生熱失控

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。 這是一個 1.2V 電池系統。 它們對過度充電和過度放電都具有彈性,可以在 -30 至 75 C 之間運行。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電動汽車,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,您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 年代以來,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 1.2 V 的電壓,並使用鹼性電解質。 鎳鎘電池提供高放電率的能力,使攜帶式電子應用在得以成功進入市場。 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。

Figure 2: Voltage plot based on battery chemistry

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。

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資料來源(Ansys Inc.

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