为您的应用选择正确的电池第3部分:常见二次电池化学成分

在这个三部分系列的第一部分中，我们讨论了这是选择电池最重要的指标．关于电池选择要记住的一件事是，它本质上是关于管理权衡。为了获得其他指标，你需要权衡一些电池指标——例如，为了获得功率密度，你可能不得不权衡能量密度。

在这篇文章和之前的一篇博客文章中，我们讨论了控制电池选择的一个最重要的方面:电池电池化学．许多重要的电池特性，如能量密度、可燃性和安全性、可用的电池结构、温度范围和保质期都是由电池化学决定的。

偶尔间歇使用的应用，如烟雾报警器、玩具或手电筒、一次性应用，或当充电变得不切实际时，需要使用主电池。助听器、手表、贺卡和心脏起搏器都是很好的例子。如果电池需要长时间连续使用，例如笔记本电脑、手机或智能手表，则更适合使用可充电电池(二次电池)。

让我们来看看最常见的二次电池化学成分。

1.锂离子电池

锂是元素周期表中最轻的金属，比容量为3860毫安时/克，而锌的比容量为820毫安时/克(电池容量决定了我们的设备的通话时间或运行时间)。锂的电化学还原电位为3.045 V，而锌的还原电位为0.76 V(即锂基电池提供的电池电压为3 V或更高)。这两种特性的结合为锂基电池带来了非常高的能量密度。

虽然锂金属电池可以提供极高的能量密度，但当这些系统充电时，会有树突生长的风险，树突生长可能会穿透隔膜，造成短路。我们都听说过锂电池短路导致的温度升高导致电池爆炸和热跑的风险。这种风险在锂离子电池中得到了缓解，锂是非金属形式，锂离子在阳极和阴极之间来回移动。锂离子电池交易能量密度(与金属锂相比)，能够以相对稳定和安全的方式充电。

由于其优异的能量密度和较长的循环寿命(超过1000次循环)，这些可充电系统被广泛应用于手机、笔记本电脑、插电式混合动力车和电动汽车等领域。在最常见的锂离子电池实现中，阳极通常是石墨片，阴极是锂-钴氧化物，电解质是有机溶剂中的锂盐。

因为锂对水具有高活性，它不能与含水电解质一起使用，不像锌。有机电解质是常用的，但与氢氧化钾、氯化锌等含水电解质相比，这些电解质的电导率很低，并且限制了锂电池的功率输出(为了获得电力，需要低电池电阻和高电解质电导率)。由于有机电解质导电性低，锂基电池单体设计偏爱大表面积的结构，如硬币超过按钮电池和果冻辊结构超过筒管类型，以最大限度地减少内阻，提高功率能力。换句话说，电池结构必须依赖于增加锂基电池的功率输出。

3.6伏或更高的高电池电压意味着需要更少的电池用于高电压应用。例如，一个锂电池可以取代三个电池电压为1.2伏的镍镉电池或镍氢电池。与铅酸电池不同，这种电池可以深度循环。

缺点在于锂的反应性很强，需要特殊的安全电子设备。锂离子电池也受到交通法规(每位航空乘客最多只能携带2克金属锂电池或8克可充电锂离子电池)。安全问题包括的可能性热失控多收钱，滥用，或在手术窗口外使用。

2.镍金属氢化物电池

镍金属氢化物电池使用氢氧镍阴极、吸氢合金作为阳极(取代镍镉电池中的镉)和碱性电解质。它们具有良好的大功率能力，但在能量密度方面无法与锂离子电池竞争。这是一个1.2 v的电池系统。它们对过充和过放电都有弹性，可以在-30到75℃之间工作。虽然锂离子电池在许多消费应用中已经取代了这种系统，但镍氢仍然在混合动力汽车中使用，它已经使用了10多年。活性化学物质本质上也比锂基系统更安全，并且不需要使用复杂的电池管理系统。在便携工具等应用领域，镍氢电池也在成本上与锂离子电池竞争。

3.铅酸电池

铅酸电池具有低能量密度，但由于其能够廉价地提供高浪涌电流，因此被广泛应用于汽车启动器电池。没有其他电池系统能像铅酸一样廉价可靠地提供高功率率能力，而这种系统已经使用了140年!难怪这种电池系统可以应用于高尔夫球车、叉车、UPS车辆、电动滑板车和电动轮椅等领域。由于其低能量密度，您将永远不会看到该系统用于消费应用。

4.镍镉电池

由于镉的毒性，自20世纪90年代以来，镍镉电池已经被锂离子电池和镍氢电池失去了大量的市场份额。它们提供1.2 V的电压，并使用碱性电解质。当他们第一次进入市场时，他们提供高放电率的能力使便携式电子应用成为现实。该系统具有循环寿命高、温度范围宽、耐滥用能力强等优点。然而，由于镉的毒性，这些产品正在逐步被淘汰。

电池的选择有很多考虑因素，比如性能、成本、安全性和保质期等。使用应用程序所需的最重要的电池指标作为起点，有助于缩小化学和设计选项。

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