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May 24, 2022
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。
Figure 1: Jelly roll construction, optimized for power
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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