电子没有简单事：带你深入了解电池技术

　　本文作者是具备30年以上经验的电子工程师，对许多技术领域都有涉猎，包括数位、类比、电源、通讯、微控制器…等等。因为他在电池技术方面有些研究，于是写了一系列的专栏，为读者介绍各种电池种类、相关技术、专业术语、规格以及使用环境。

　　接下来的文章，作者将详细介绍各种类型的电池，并了解如何针对特定应用选择适合的电池技术。电池是在1800年由义大利物理学家Alessandro Volta 所发明，如果Volta还在，应该会对目前他的发明如此无所不在（而且多样化）而感到惊叹。

　　但其实在某些应用中，选择使用电容器或许比电池更适合。很惊讶吗？也许在它们强调具备稳定、高浪涌能力供电时，你可能考虑过采用电容器；有时候涉及极轻负载，也有可能忽略常规的电源应用，而考虑采用超级电容。当我们进一步讨论到电池的专业术语以及技术，希望能进一步厘清电容器与电池该如何抉择。

　　而要针对一项特殊应用来选择电池技术，要考量的因素有很多；除了相对尺寸、重量与成本（有便宜的、也有贵的，还有你根本负担不起的！）。在接下来的系列文章中，笔者计划将涵盖的两大重点包括：

　　1. 使用与储存环境：这方面将探讨的包括温度、大气压力、海拔高度、机械应力、振动、安装位置、辐射硬化（radiation hardening）、腐蚀侵袭、包装/形状、储存与保存期限、产生的废弃物/气体、所需耗材、安全性、材料、RoHS规范…等等。

　　2. 应用：类型（包括主要、次要以及智慧型）、技术、化学品、效率与耗损、充放电周期与速度、放电深度、使用寿命、记忆效应、充电技术、电容/电池混合技术、容量、密度（能量与重量）、保护电路、量测与计量（gas gauge）、品质、可靠度、充电与运作时间。

　　自从Volta发明第一代电池，多年来电池已经演变出许多种类，包括以下这些技术：铅酸（PbX）、镍镉（NiCd）、镍氢（NiMH）、镍锌（NiZn）、氧化锌（ZnO）、锌碳（Zinc-carbon）、氯化锌（ZnCl2）、锌二氧化锰（ZnMnO2，即硷性电池）。

　　还有一系列的锂电池：锂-二硫化铁（LiFeS2）、锂-二氧化锰（LiMnO2）、亚硫醯氯锂（LiSOCl2）、氟化碳锂聚合物（LiCFX）、锂二氧化硫（LiSO2）、锂碘（LiI2）、锂氯化铝（LiAlCl4）、锂钴氧化物（LiCoO2 ，LCO）、磷酸铁锂（LiFePO4，LFP）、锂锰氧化物（LiMn2O4，LMO）、锂镍锰钴氧化物（LiNiMnCoO2 ，NMC）、锂镍钴铝氧化物（iNiCoAlO2，NCA）、钛酸锂（Li4Ti5O12，LTO）。

　　此外还有氧化银（Ag2O）、银锌（AgZn）、硫化钠（Na2S4），以及核子或原子电池。

　　何谓电池？

　　以传统的观点来看，电池是一种内含化学反应物质并藉此产生电力的装置，但这种定义随着时间演进已经开始模糊；这会是一个有趣的话题，也许我们能在这一系列文章的最后，再来好好讨论一番。

　　诀窍1.：开始选择电池

　　笔者选择电池都是先看应用环境，通常我们能将技术选择范围根据环境上的限制来缩减；举例来说，当电池运作环境温度达到325°C，就可以不用浪费时间去找锂电池，在那样的环境之下，标准锂电池无法涉足但钠硫（sodium-sulfur）电池则能生存。另一个例子是需要周期性加水的旧式（非胶状）铅酸电池，这种电池自然无法在完全密封的环境中使用。

　　诀窍2.：能量与功率的差异

　　能量（Energy）与功率（Power）这两者常会让人混淆，需要特别注意的是，电池可储存的是潜在的能量，当负载电流时，那些潜在能量才会被转换为电功率，在几伏特电压（V）之下可达到几安培电流（A），然后计算出是几瓦功率（W=V×A）。可传递到负载的总能量，是瞬时电压乘以瞬时电流，也就是v（t） x a（t），以时间来求积分──因为能量的单位是焦耳（joule，J），即功率乘以时间秒数。

　　规格与专业术语

　　我们似乎总希望找个拥有最大的「冲击力（wallop）」的电池，但能接受的价位是多少？需要多大的尺寸与重量？显然我们总是会做一些折衷，因此我们需要知道制造商是如何详列所有这些技术规格；在未来的文章中也会再更详细提到这些，以下我们先介绍几个相关术语与规格。

　　˙一次与二次电池（primary / secondary batteries）：所谓的一次电池就是那些能在组装之后立即产生电压、马上应用的产品，但大多数无法充电；二次电池则能在组装、第一次使用之后进行充电，而且通常是可以重复充电。

　　˙智慧型电池（smart type）：这种类型的电池包含用以监测电池、并将电池装态与外部应用装置通讯的元件或电路，通常该监测电路所提供的资讯包括充电状态、温度或环境资讯、电池健康状态、使用年限、产品序号/型号…等等；有部分电路则是负责电源管理或是防止过电流等安全功能。如果一颗电池有四个以上的连结介面，它就很可能是智慧型产品，未来我们还会介绍相关议题。

　　˙内部电阻（internal resistance）与最大内部电阻：电池的内部电阻量测单位是欧姆（ohm），为电池内产生电压之零件并联作用产生的有效直流（DC）电阻。而最大内部电阻规格，则是基于安全性操作以及制造商要求，在充放电时的内部电阻最坏情况。要量测DC内部电阻，笔者通常使用两阶段DC负载（two-tier DC-load）方法。

　　继续介绍各种与电池相关的专业术语：

　　˙能量密度（energy density）：以瓦特小时/每公升（Wh/L）或兆焦耳/每公升（MJ/L）为单位的能量对容量（或能量对尺寸）比；这个数字基本上是定义一颗电池以以尺寸来看，一颗电池的「强壮度」，也有的製造商以焦耳/每公升（J/L）来表示。

　　˙能量/消费价格（energy/consumer-price）：以瓦特小时/一美元（Wh/$US）为单位，这允许不同的能量源在成本方面进行比较；有时这个比数与单位会反转，例如美元/千焦耳（$US/kJ）。

　　˙功率比（specific power）：以瓦/每公斤（W/kg）为单位的功率对重量（或功率对质量）比值，这与能量比数不同，指的是一颗电池能提供的功率大小，数字越高通常意味着内部电阻越低。当负载电阻等于电池内部电阻与所有线路、连接器的电阻总和时，最大功率会传递至负载电流；不过因为高I2R损失，这种情况对于总能量传递并不非常有效。

　　˙电池芯（Cell）：能以基本化学反应而产生电压的最小电池封装单位，若单一电池芯无法产生足够的电压、电流、功率或运作时间，可以将数个电池芯以模组或更大的封装方式连结在一起。有部分化学物质，电池封装或模组製造商必须要经过训练或认证才能进行销售，这是基于安全性、相关元件、电路以及对化学塬料使用的一些特定需求。

　　˙锂约当含量（equivalent lithium content，ELC）：这是安全与旅游、货运主管机关针对锂电池所订定的一个概略性的锂电池内容物分类标準（以公克为单位）。8公克的锂约当含量约等同于100瓦特小时；因此要计算一颗锂电池的锂约当含量，就是用其瓦特小时数乘以8/100──ELC=Whx0.08。

　　˙最大连续放电电流（maximum continuous discharge current）：能从一颗电池上安全且连续不断地汲取的最高电流，同时基本上不会让电池整体性能降低或是造成损坏。

　　最大放电电流脉衝（maximum discharge pulse current）：在製造商额定秒数脉衝下，电池能放电的最大电流；其次是额定復塬时间。这个数值通常都是由电池製造商所定义，以避免过度放电导致电池损坏或者是降低容量。

　　˙循环耐久性或循环寿命（cycle durability or cycle life）：电池在无法达到其特定性能标準之前，可经歷的充放电循环次数；这种循环寿命是以特定的充放电情况来估计的。实际的电池运作寿命则会受到充放电循环速率与深度、以及其他因素影响，例如温湿度；而放电深度越大，也会降低循环寿命。

　　˙充/放电效率（charge/discharge efficiency）：这是一个百分比，为实际（充/放电过程）传送之能量与额定能量的比值，其计算式是──实际能量/额定能量x100。

　　˙自放电率（self-discharge rate）：在无电流负载的情况下，电池每个月会流失的电量比例；就算没有电流负载，电池内仍会发生缓慢的化学反应，降低电池的电量，这也是电池有库存期限的主要塬因。

　　˙标示电池电压（nominal cell voltage，或译标称电压、额定电压）：电池製造商所公告的电池产品电压值，通常为电池在使用寿命期间内的平均放电电压。

　　˙端电压（terminal voltage）：在施加电流负载时通过电池两端的瞬态电压（未穿过负载）；这会随着充电状态、及充放电电流歷程与环境而变化。

　　˙开路电压（open-circuit voltage）：在无施加电流负载时，穿过电池端点的电压；开路电压在电池以最佳充电方法充电之后的「最新鲜」状态下达到最高，有些电池的化学物质则是需经过一至两次充放电週期，才会达到最高峰值。

　　充电电压（charge voltage）：将电池充饱时的电压值。

　　˙浮动电压（float voltage）：当电池被充饱之后，要维持其100%电量所需的电压值；这用以补偿电池的自放电。

　　˙截止电压（cut-off voltage）：可允许之最小端电压值；这是电池製造商所认为的电池空量状态，在此电压值之下运作电池是不建议的，除非电池被设计为可处理深度放电的型态。

　　˙充电技巧：可充电电池的规格有很多种，大多数是以特定化学物质为基础，有些是简易的限定电压、恆定电流技术，有些则是採用简易的限定电流、恆定电压技术，其余则是多阶段充电（multiple-stage charging）的组合与变化。这些我们在未来会更详细讨论。

　　˙放电深度（Depth of Discharge，DOD）：电池放电量佔据额定电池容量的比例，当一颗电池达到80%的DOD，就算是深度放电。

　　˙荷电状态（State of charge，SOC）：电池目前容量在额定容量中所佔比例，此SOC值通常藉由在一段时间内整合的负载电流来计算，智慧型电池通常也是用这种方法，提供比仅单独监测端电压更精确的荷电状态量测。