基礎電子學(xué)系列27 – 電池和電池組

在上一篇文章中，我們討論了不同類(lèi)型的電源。對于原型制作和測試電路，線(xiàn)性穩壓電源是最經(jīng)濟可行的自助解決方案。線(xiàn)性穩壓電源的功率輸出也可以借助可變電阻器進(jìn)行調整。不想費心設計自己的電源的電子愛(ài)好者和初學(xué)者可以購買(mǎi)可調式臺式電源，用于常規電路測試和原型制作。大多數嵌入式系統都是基于電池的，因此您遲早需要在您的設計（電路）中添加基于電池的電源。即使不是完全基于電池的電路也可能使用電池作為備用電源。因此，必須先了解這些電化學(xué)元件，因為它們將使您的電路在大多數情況下都能正常工作。

什么是電池

電池是以化學(xué)能的形式存儲電能的電化學(xué)裝置。當它們連接在電路中時(shí)，電流開(kāi)始流過(guò)它們的端子，存儲在其中的化學(xué)能作為電能釋放回來(lái)。超級電容器與電池不同，因為它們以靜電場(chǎng)的形式儲存電能，而電池則以電化學(xué)方式儲存能量。

電池是兩個(gè)終端設備，總是有一個(gè)正極（陽(yáng)極）和一個(gè)負極（陰極）。它們由三部分組成——陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)。當電池連接到電路時(shí)，由于與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應，電子從陰極流向陽(yáng)極。顯然，傳統電流的方向是從陽(yáng)極到陰極。

電池類(lèi)型
電池主要有四種類(lèi)型：

• 原電池

• 二次電池

• 儲備細胞

• 燃料電池

原電池
原電池和電池是不可充電的一次性電池。這些電池中的電化學(xué)反應是不可逆的，因此一旦耗盡就無(wú)法再充電，如果長(cháng)時(shí)間不使用甚至會(huì )放電。這些電池是一次性使用的，一旦耗盡就需要丟棄。此類(lèi)電池最適合基于電池的應用，這些應用通常具有低功率要求并且打算完全由電池供電運行很長(cháng)時(shí)間。原電池也用于許多軍用級應用（無(wú)線(xiàn)電和通信），因為在此類(lèi)應用中更換電池比給電池充電更方便。常用的原電池包括紐扣電池、AA 和 AAA 電池。

RJD 系列鋰離子紐扣電池具有物聯(lián)網(wǎng)可穿戴應用所需的高功率密度。（圖片：伊利諾斯電容器）

這些低成本、小尺寸的電池通常是干電池，具有良好的電荷保持能力，適合長(cháng)期使用。它們既不適合也不適合需要高放電率的重負載應用，也不適合備用電源或負載均衡。

有許多類(lèi)型的原電池可用。一些流行的原電池包括以下內容。

堿性電池：這些是最流行的原電池，由 1.5V 電池組成。它們比能量高，壽命長(cháng)，環(huán)保，使用安全，防漏，成本低。這些是低電流應用的理想選擇，并用于電視遙控器、掛鐘和玩具等許多消費類(lèi)設備。它們的主要缺點(diǎn)是重量，因為它們很重。

鋅碳電池：這些是重型電池，是堿性電池的低成本替代品。但它們的比能量（能量密度）較低，放電倍率性能較差。這些通常用作堿性電池的成本削減替代品。

原鋰電池：這些體積小、重量輕的電池旨在用于低電流應用。這些被用作堿性電池的替代品，其中尺寸和重量是成本的主要考慮因素。

汞電池：這些電池不像其他原電池化學(xué)物質(zhì)那樣是干電池。這些小尺寸電池具有更長(cháng)的壽命和穩定的電壓。它們通常用于尺寸限制應用程序。

二次電池
二次電池是可充電電池。它們的電化學(xué)反應可以通過(guò)充電來(lái)逆轉。在充電過(guò)程中，充電電流通過(guò)與放電電流方向相反的端子。一旦充電，這些電池就會(huì )恢復到放電前的狀態(tài)。

二次電池初始成本高；但是，由于它們可以多次重復使用，因此它們的生命周期成本較低。在許多應用中，使用低功率的二次電池比一次電池長(cháng)時(shí)間使用更劃算。這就是低功率二次電池通常用于移動(dòng)設備和小工具的原因。這些電池還可用于重型應用和需要高放電率性能的應用。這就是二次電池用于負載均衡、電動(dòng)汽車(chē)和備用電源等應用的原因。一些流行的二次電池包括：

鋰離子電池：這些是最流行的二次電池。它們有多種化學(xué)成分，如鈷酸鋰、硫磺鋰和磷酸鐵鋰。這些輕型電池具有最高的能量密度和出色的放電倍率性能，廣泛用于智能手機、便攜式小工具和基于電池的消費設備。最近，三位科學(xué)家——John B Goodenough、M Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino——因在開(kāi)發(fā)鋰離子電池方面的工作而獲得 2019 年諾貝爾化學(xué)獎。

適用于為可穿戴設備等小型應用供電的針型鋰離子電池。（圖片：松下工業(yè)電池）

鉛酸電池：這些是最早的二次電池。這些是重型、大尺寸電池，用于重型應用，成本低于其他電池，因此可用于汽車(chē)等非便攜式應用和備用電源。盡管比能量低且重量大，但這些電池具有高功率重量比。它們以密封鉛酸 (SLA) 電池的形式提供。

鎳鎘電池：這些耐用的二次電池使用金屬鎘和氧化鎳氫氧化物作為電極，并且以高放電率提供其全額定電壓而聞名。它們具有低自放電和長(cháng)壽命。鎳鎘電池的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它們具有記憶功能——如果充電不當，它們的壽命會(huì )縮短。

鎳金屬氫化物：這些電池類(lèi)似于 Ni-Cd 電池，不同之處在于它們使用吸氫合金而不是鎘。它們具有更高的能量密度，不需要特定的充電程序。然而，與 Ni-Cd 電池相比，這些電池的壽命較短，可能需要在 1000 次循環(huán)之前處理掉。

備用電池
與原電池一樣，備用電池也主要用于一次性使用，但具有與電極隔離的電解質(zhì)或與電解質(zhì)隔離的電極。大多數備用電池都有隔離的電解質(zhì)。只有在使用電池時(shí)，電解質(zhì)才會(huì )被激活。由于電解質(zhì)和電極保持隔離，這些電池不會(huì )自放電（像原電池一樣）并且使用壽命更長(cháng)。一些流行的備用電池包括電解質(zhì)激活電池、熱激活電池（熱電池）、水激活電池和氣體激活電池。這些電池通常用于軍用級應用。

燃料電池
在燃料電池中，活性材料從外部注入電池。電池僅在活性材料被供給之前保持運行。燃料電池通常用于太空應用，但也用于電動(dòng)汽車(chē)、負載均衡和備用電源等應用。

基本燃料電池的工作原理。（圖片：FCHEA）

大多數基于電池的嵌入式設備使用原電池。許多嵌入式設備可能會(huì )使用二次電池，例如在工業(yè)應用中，使用二次電池可能非常劃算。備用電池和燃料電池的應用有限，在廣泛使用的電子產(chǎn)品中可能看不到。與電感器一樣，電池也是特定于應用的。因此，為給定電路或應用選擇電池類(lèi)型并不是一項艱巨的任務(wù)。但是在為給定應用選擇電池時(shí)，您確實(shí)需要考慮其他要求，例如端電壓、安全性、合規性、尺寸和幾何形狀。

我們已經(jīng)討論了基于可重復使用性和化學(xué)性質(zhì)的不同類(lèi)型的電池。在下一篇文章中，我們將討論電池的幾何形狀和尺寸。