電子沒(méi)有簡(jiǎn)單事：帶你深入了解電池技術(shù)

　　本文作者是具備30年以上經(jīng)驗的電子工程師，對許多技術(shù)領(lǐng)域都有涉獵，包括數位、類(lèi)比、電源、通訊、微控制器…等等。因為他在電池技術(shù)方面有些研究，于是寫(xiě)了一系列的專(zhuān)欄，為讀者介紹各種電池種類(lèi)、相關(guān)技術(shù)、專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)、規格以及使用環(huán)境。

　　接下來(lái)的文章，作者將詳細介紹各種類(lèi)型的電池，并了解如何針對特定應用選擇適合的電池技術(shù)。電池是在1800年由義大利物理學(xué)家Alessandro Volta 所發(fā)明，如果Volta還在，應該會(huì )對目前他的發(fā)明如此無(wú)所不在(而且多樣化)而感到驚嘆。

　　但其實(shí)在某些應用中，選擇使用電容器或許比電池更適合。很驚訝嗎?也許在它們強調具備穩定、高浪涌能力供電時(shí)，你可能考慮過(guò)采用電容器;有時(shí)候涉及極輕負載，也有可能忽略常規的電源應用，而考慮采用超級電容。當我們進(jìn)一步討論到電池的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)以及技術(shù)，希望能進(jìn)一步厘清電容器與電池該如何抉擇。

　　而要針對一項特殊應用來(lái)選擇電池技術(shù)，要考量的因素有很多;除了相對尺寸、重量與成本(有便宜的、也有貴的，還有你根本負擔不起的!)。在接下來(lái)的系列文章中，筆者計劃將涵蓋的兩大重點(diǎn)包括：

　　1. 使用與儲存環(huán)境：這方面將探討的包括溫度、大氣壓力、海拔高度、機械應力、振動(dòng)、安裝位置、輻射硬化(radiation hardening)、腐蝕侵襲、包裝/形狀、儲存與保存期限、產(chǎn)生的廢棄物/氣體、所需耗材、安全性、材料、RoHS規范…等等。

　　2. 應用：類(lèi)型(包括主要、次要以及智慧型)、技術(shù)、化學(xué)品、效率與耗損、充放電周期與速度、放電深度、使用壽命、記憶效應、充電技術(shù)、電容/電池混合技術(shù)、容量、密度(能量與重量)、保護電路、量測與計量(gas gauge)、品質(zhì)、可靠度、充電與運作時(shí)間。

　　自從Volta發(fā)明第一代電池，多年來(lái)電池已經(jīng)演變出許多種類(lèi)，包括以下這些技術(shù)：鉛酸(PbX)、鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)、鎳鋅(NiZn)、氧化鋅(ZnO)、鋅碳(Zinc-carbon)、氯化鋅(ZnCl2)、鋅二氧化錳(ZnMnO2，即鹼性電池)。

　　還有一系列的鋰電池：鋰-二硫化鐵(LiFeS2)、鋰-二氧化錳(LiMnO2)、亞硫醯氯鋰(LiSOCl2)、氟化碳鋰聚合物(LiCFX)、鋰二氧化硫(LiSO2)、鋰碘(LiI2)、鋰氯化鋁(LiAlCl4)、鋰鈷氧化物(LiCoO2 ，LCO)、磷酸鐵鋰(LiFePO4，LFP)、鋰錳氧化物(LiMn2O4，LMO)、鋰鎳錳鈷氧化物(LiNiMnCoO2 ，NMC)、鋰鎳鈷鋁氧化物(iNiCoAlO2，NCA)、鈦酸鋰(Li4Ti5O12，LTO)。

　　此外還有氧化銀(Ag2O)、銀鋅(AgZn)、硫化鈉(Na2S4)，以及核子或原子電池。

　　何謂電池?

　　以傳統的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，電池是一種內含化學(xué)反應物質(zhì)并藉此產(chǎn)生電力的裝置，但這種定義隨著(zhù)時(shí)間演進(jìn)已經(jīng)開(kāi)始模糊;這會(huì )是一個(gè)有趣的話(huà)題，也許我們能在這一系列文章的最后，再來(lái)好好討論一番。

　　訣竅1.：開(kāi)始選擇電池

　　筆者選擇電池都是先看應用環(huán)境，通常我們能將技術(shù)選擇范圍根據環(huán)境上的限制來(lái)縮減;舉例來(lái)說(shuō)，當電池運作環(huán)境溫度達到325°C，就可以不用浪費時(shí)間去找鋰電池，在那樣的環(huán)境之下，標準鋰電池無(wú)法涉足但鈉硫(sodium-sulfur)電池則能生存。另一個(gè)例子是需要周期性加水的舊式(非膠狀)鉛酸電池，這種電池自然無(wú)法在完全密封的環(huán)境中使用。

　　訣竅2.：能量與功率的差異

　　能量(Energy)與功率(Power)這兩者常會(huì )讓人混淆，需要特別注意的是，電池可儲存的是潛在的能量，當負載電流時(shí)，那些潛在能量才會(huì )被轉換為電功率，在幾伏特電壓(V)之下可達到幾安培電流(A)，然后計算出是幾瓦功率(W=V×A)?？蓚鬟f到負載的總能量，是瞬時(shí)電壓乘以瞬時(shí)電流，也就是v(t) x a(t)，以時(shí)間來(lái)求積分──因為能量的單位是焦耳(joule，J)，即功率乘以時(shí)間秒數。

　　規格與專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)

　　我們似乎總希望找個(gè)擁有最大的「沖擊力(wallop)」的電池，但能接受的價(jià)位是多少?需要多大的尺寸與重量?顯然我們總是會(huì )做一些折衷，因此我們需要知道制造商是如何詳列所有這些技術(shù)規格;在未來(lái)的文章中也會(huì )再更詳細提到這些，以下我們先介紹幾個(gè)相關(guān)術(shù)語(yǔ)與規格。

　　˙一次與二次電池(primary / secondary batteries)：所謂的一次電池就是那些能在組裝之后立即產(chǎn)生電壓、馬上應用的產(chǎn)品，但大多數無(wú)法充電;二次電池則能在組裝、第一次使用之后進(jìn)行充電，而且通常是可以重復充電。

　　˙智慧型電池(smart type)：這種類(lèi)型的電池包含用以監測電池、并將電池裝態(tài)與外部應用裝置通訊的元件或電路，通常該監測電路所提供的資訊包括充電狀態(tài)、溫度或環(huán)境資訊、電池健康狀態(tài)、使用年限、產(chǎn)品序號/型號…等等;有部分電路則是負責電源管理或是防止過(guò)電流等安全功能。如果一顆電池有四個(gè)以上的連結介面，它就很可能是智慧型產(chǎn)品，未來(lái)我們還會(huì )介紹相關(guān)議題。

　　˙內部電阻(internal resistance)與最大內部電阻：電池的內部電阻量測單位是歐姆(ohm)，為電池內產(chǎn)生電壓之零件并聯(lián)作用產(chǎn)生的有效直流(DC)電阻。而最大內部電阻規格，則是基于安全性操作以及制造商要求，在充放電時(shí)的內部電阻最壞情況。要量測DC內部電阻，筆者通常使用兩階段DC負載(two-tier DC-load)方法。

　　繼續介紹各種與電池相關(guān)的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)：

　　˙能量密度(energy density)：以瓦特小時(shí)/每公升(Wh/L)或兆焦耳/每公升(MJ/L)為單位的能量對容量(或能量對尺寸)比;這個(gè)數字基本上是定義一顆電池以以尺寸來(lái)看，一顆電池的「強壯度」，也有的製造商以焦耳/每公升(J/L)來(lái)表示。

　　˙能量/消費價(jià)格(energy/consumer-price)：以瓦特小時(shí)/一美元(Wh/$US)為單位，這允許不同的能量源在成本方面進(jìn)行比較;有時(shí)這個(gè)比數與單位會(huì )反轉，例如美元/千焦耳($US/kJ)。

　　˙功率比(specific power)：以瓦/每公斤(W/kg)為單位的功率對重量(或功率對質(zhì)量)比值，這與能量比數不同，指的是一顆電池能提供的功率大小，數字越高通常意味著(zhù)內部電阻越低。當負載電阻等于電池內部電阻與所有線(xiàn)路、連接器的電阻總和時(shí)，最大功率會(huì )傳遞至負載電流;不過(guò)因為高I2R損失，這種情況對于總能量傳遞并不非常有效。

　　˙電池芯(Cell)：能以基本化學(xué)反應而產(chǎn)生電壓的最小電池封裝單位，若單一電池芯無(wú)法產(chǎn)生足夠的電壓、電流、功率或運作時(shí)間，可以將數個(gè)電池芯以模組或更大的封裝方式連結在一起。有部分化學(xué)物質(zhì)，電池封裝或模組製造商必須要經(jīng)過(guò)訓練或認證才能進(jìn)行銷(xiāo)售，這是基于安全性、相關(guān)元件、電路以及對化學(xué)塬料使用的一些特定需求。