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(yàn)的電子工程師，對(duì)許多技術(shù)領(lǐng)域都有涉獵，包括數(shù)位、類(lèi)比、電源、通訊、微控制器…等等。因?yàn)樗陔姵丶夹g(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(guī)格以及使用環(huán)境。

　　接下來(lái)的文章，作者將詳細(xì)介紹各種類(lèi)型的電池，并了解如何針對(duì)特定應(yīng)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(yīng)該會(huì)對(duì)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(yīng)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(qiáng)調(diào)具備穩(wěn)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(fù)載，也有可能忽略常規(guī)的電源應(yīng)用，而考慮采用超級(jí)電容。當(dāng)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(duì)一項(xiàng)特殊應(yīng)用來(lái)選擇電池技術(shù)，要考量的因素有很多；除了相對(duì)尺寸、重量與成本（有便宜的、也有貴的，還有你根本負(fù)擔(dān)不起的?。Ｔ诮酉聛?lái)的系列文章中，筆者計(jì)劃將涵蓋的兩大重點(diǎn)包括：

　　1. 使用與儲(chǔ)存環(huán)境：這方面將探討的包括溫度、大氣壓力、海拔高度、機(jī)械應(yīng)力、振動(dòng)、安裝位置、輻射硬化（radiation hardening）、腐蝕侵襲、包裝/形狀、儲(chǔ)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(guī)范…等等。

　　2. 應(yīng)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(yīng)、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(hù)電路、量測(cè)與計(jì)量（gas gauge）、品質(zhì)、可靠度、充電與運(yùn)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(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)看，電池是一種內(nèi)含化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)并藉此產(chǎn)生電力的裝置，但這種定義隨著時(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(yīng)用環(huán)境，通常我們能將技術(shù)選擇范圍根據(jù)環(huán)境上的限制來(lái)縮減；舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)電池運(yùn)作環(huán)境溫度達(dá)到325°C，就可以不用浪費(fèi)時(shí)間去找鋰電池，在那樣的環(huán)境之下，標(biāo)準(zhǔn)鋰電池?zé)o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(chǔ)存的是潛在的能量，當(dāng)負(fù)載電流時(shí)，那些潛在能量才會(huì)被轉(zhuǎn)換為電功率，在幾伏特電壓（V）之下可達(dá)到幾安培電流（A），然后計(jì)算出是幾瓦功率（W=V×A）?？蓚鬟f到負(fù)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?yàn)槟芰康膯挝皇墙苟╦oule，J），即功率乘以時(shí)間秒數(shù)。

　　規(guī)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(guī)格；在未來(lái)的文章中也會(huì)再更詳細(xì)提到這些，以下我們先介紹幾個(gè)相關(guān)術(shù)語(yǔ)與規(guī)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(yīng)用的產(chǎn)品，但大多數(shù)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(fù)充電。

　　˙智慧型電池（smart type）：這種類(lèi)型的電池包含用以監(jiān)測(cè)電池、并將電池裝態(tài)與外部應(yīng)用裝置通訊的元件或電路，通常該監(jiān)測(cè)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(hào)/型號(hào)…等等；有部分電路則是負(fù)責(zé)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(jié)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(nèi)部電阻（internal resistance）與最大內(nèi)部電阻：電池的內(nèi)部電阻量測(cè)單位是歐姆（ohm），為電池內(nèi)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(nèi)部電阻規(guī)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(nèi)部電阻最壞情況。要量測(cè)DC內(nèi)部電阻，筆者通常使用兩階段DC負(fù)載（two-tier DC-load）方法。

　　繼續(xù)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(duì)容量（或能量對(duì)尺寸）比；這個(gè)數(shù)字基本上是定義一顆電池以以尺寸來(lái)看，一顆電池的「強(qiáng)壯度」，也有的製造商以焦耳/每公升（J/L）來(lái)表示。

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

　　˙功率比（specific power）：以瓦/每公斤（W/kg）為單位的功率對(duì)重量（或功率對(duì)質(zhì)量）比值，這與能量比數(shù)不同，指的是一顆電池能提供的功率大小，數(shù)字越高通常意味著內(nèi)部電阻越低。當(dāng)負(fù)載電阻等于電池內(nèi)部電阻與所有線路、連接器的電阻總和時(shí)，最大功率會(huì)傳遞至負(fù)載電流；不過(guò)因?yàn)楦逫2R損失，這種情況對(duì)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(yīng)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(yùn)作時(shí)間，可以將數(shù)個(gè)電池芯以模組或更大的封裝方式連結(jié)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(xùn)練或認(rèn)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(duì)化學(xué)塬料使用的一些特定需求。

　　˙鋰約當(dāng)含量（equivalent lithium content，ELC）：這是安全與旅游、貨運(yùn)主管機(jī)關(guān)針對(duì)鋰電池所訂定的一個(gè)概略性的鋰電池內(nèi)容物分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)（以公克為單位）。8公克的鋰約當(dāng)含量約等同于100瓦特小時(shí)；因此要計(jì)算一顆鋰電池的鋰約當(dāng)含量，就是用其瓦特小時(shí)數(shù)乘以8/100──ELC=Whx0.08。

　　˙最大連續(xù)放電電流（maximum continuous discharge current）：能從一顆電池上安全且連續(xù)不斷地汲取的最高電流，同時(shí)基本上不會(huì)讓電池整體性能降低或是造成損壞。

　　最大放電電流脈衝（maximum discharge pulse current）：在製造商額定秒數(shù)脈衝下，電池能放電的最大電流；其次是額定復(fù)塬時(shí)間。這個(gè)數(shù)值通常都是由電池製造商所定義，以避免過(guò)度放電導(dǎo)致電池?fù)p壞或者是降低容量。

　　˙循環(huán)耐久性或循環(huán)壽命（cycle durability or cycle life）：電池在無(wú)法達(dá)到其特定性能標(biāo)準(zhǔn)之前，可經(jīng)歷的充放電循環(huán)次數(shù)；這種循環(huán)壽命是以特定的充放電情況來(lái)估計(jì)的。實(shí)際的電池運(yùn)作壽命則會(huì)受到充放電循環(huán)速率與深度、以及其他因素影響，例如溫濕度；而放電深度越大，也會(huì)降低循環(huán)壽命。

　　˙充/放電效率（charge/discharge efficiency）：這是一個(gè)百分比，為實(shí)際（充/放電過(guò)程）傳送之能量與額定能量的比值，其計(jì)算式是──實(shí)際能量/額定能量x100。

　　˙自放電率（self-discharge rate）：在無(wú)電流負(fù)載的情況下，電池每個(gè)月會(huì)流失的電量比例；就算沒(méi)有電流負(fù)載，電池內(nèi)仍會(huì)發(fā)生緩慢的化學(xué)反應(yīng)，降低電池的電量，這也是電池有庫(kù)存期限的主要塬因。

　　˙標(biāo)示電池電壓（nominal cell voltage，或譯標(biāo)稱(chēng)電壓、額定電壓）：電池製造商所公告的電池產(chǎn)品電壓值，通常為電池在使用壽命期間內(nèi)的平均放電電壓。

　　˙端電壓（terminal voltage）：在施加電流負(fù)載時(shí)通過(guò)電池兩端的瞬態(tài)電壓（未穿過(guò)負(fù)載）；這會(huì)隨著充電狀態(tài)、及充放電電流歷程與環(huán)境而變化。

　　˙開(kāi)路電壓（open-circuit voltage）：在無(wú)施加電流負(fù)載時(shí)，穿過(guò)電池端點(diǎn)的電壓；開(kāi)路電壓在電池以最佳充電方法充電之后的「最新鮮」?fàn)顟B(tài)下達(dá)到最高，有些電池的化學(xué)物質(zhì)則是需經(jīng)過(guò)一至兩次充放電週期，才會(huì)達(dá)到最高峰值。

　　充電電壓（charge voltage）：將電池充飽時(shí)的電壓值。

　　˙浮動(dòng)電壓（float voltage）：當(dāng)電池被充飽之后，要維持其100%電量所需的電壓值；這用以補(bǔ)償電池的自放電。

　　˙截止電壓（cut-off voltage）：可允許之最小端電壓值；這是電池製造商所認(rèn)為的電池空量狀態(tài)，在此電壓值之下運(yùn)作電池是不建議的，除非電池被設(shè)計(jì)為可處理深度放電的型態(tài)。

　　˙充電技巧：可充電電池的規(guī)格有很多種，大多數(shù)是以特定化學(xué)物質(zhì)為基礎(chǔ)，有些是簡(jiǎn)易的限定電壓、恆定電流技術(shù)，有些則是採(cǎi)用簡(jiǎn)易的限定電流、恆定電壓技術(shù)，其余則是多階段充電（multiple-stage charging）的組合與變化。這些我們?cè)谖磥?lái)會(huì)更詳細(xì)討論。

　　˙放電深度（Depth of Discharge，DOD）：電池放電量佔(zhàn)據(jù)額定電池容量的比例，當(dāng)一顆電池達(dá)到80%的DOD，就算是深度放電。

　　˙荷電狀態(tài)（State of charge，SOC）：電池目前容量在額定容量中所佔(zhàn)比例，此SOC值通常藉由在一段時(shí)間內(nèi)整合的負(fù)載電流來(lái)計(jì)算，智慧型電池通常也是用這種方法，提供比僅單獨(dú)監(jiān)測(cè)端電壓更精確的荷電狀態(tài)量測(cè)。