为您的应用选择合适的电池，第1部分:重要的电池指标

关于电池选择要记住的一件事是，没有一种完美的电池适用于所有应用。为您的应用程序选择合适的电池是关于识别最重要的电池指标，并将这些与其他指标进行权衡。例如，如果您的应用程序需要大量的功率，则需要最小化内部电池电阻;这通常是通过增加电极表面积来实现的。然而，这也增加了非活动组件，如电流集热器和导电辅助，所以能量密度是交易，以获得功率。

虽然您在电池上的实际设计目标可能很高，但在实际电池性能方面，您可能不得不放弃一些目标来实现其他目标(图1)。

在这个由三部分组成的博客系列中，我们将了解到，为您的应用程序找到合适的电池就是要做出正确的权衡。第一部分讨论了为消费者应用选择合适电池时的重要考虑因素。这些因素包括可充电性、能量密度、功率密度、保质期、安全性、外形因素、成本和灵活性。第二部分讨论化学如何影响重要的电池指标，从而影响电池的选择。在第三部分，我们将看看常见的二次电池化学成分。

电池选择的重要考虑因素

在决定使用哪种电池时，请确保考虑以下四个因素。

1.初级与次级

电池选择的第一个选择是决定应用程序是否需要一次(一次性)或二次(可充电)电池。在大多数情况下，这对设计师来说是一个简单的决定。偶尔间歇性使用的应用(如烟雾报警器、玩具或手电筒)和一次性应用(如助听器、手表、贺卡和起搏器)需要使用一次电池。如果电池需要长时间连续使用(如笔记本电脑、手机或智能手表)，则充电电池更合适。

主要的电池具有更低的自放电率-在首次使用前充电不可能或不实际时具有吸引力的功能。二次电池往往会以更高的速度损失能量。由于充电功能，这在大多数应用程序中不太重要。

2.能源vs电力

电池的运行时间是由电池容量决定的，单位是毫安/小时(mAh)或安培/小时(Ah)，是电池在一段时间内可以提供的放电电流。

在比较不同化学成分的电池时，查看其能量含量是有用的。电池容量(Ah)乘以电压(Wh)即为电池的能量。例如，1.2 V的镍氢电池和3.2 V的锂离子电池可能具有相同的容量，但锂离子的电压越高，能量就会增加。

开路电压通常用于能量计算，即不连接到负载时的电池电压。然而，容量和能量在很大程度上取决于损耗率。理论容量仅由活性电极材料和活性质量决定，但由于非活性材料和动力学限制的存在，实际电池只能达到理论数字的一小部分。这阻止了活性物质的充分利用，并在电极上产生堆积。

电池制造商通常在给定的放电速率、温度和截止电压下指定容量。指定的容量将取决于这三个因素。在比较制造商的产能等级时，一定要特别关注流失率。一个电池，似乎有一个高容量在规格表上实际上可能表现不佳，如果电流损耗的应用较高。例如，一个额定2ah放电20小时的电池不能在一小时内提供2a，而只能提供一小部分容量。

高功率电池在高放电速率下提供快速放电能力，例如电动工具或汽车启动电池。通常，高功率电池具有低能量密度。

权力和能量的一个很好的类比是一个带壶嘴的水桶。一个更大的水桶可以装更多的水，就像一个高能量的电池。水从桶中流出的开口或喷口的大小与功率类似——功率越大，排水速度就越快。为了增加能量，你通常会增加电池的尺寸，但为了增加功率，你会减少内阻。电池结构在获得高功率密度的电池中起着巨大的作用。

你可以从电池教科书中比较不同化学物质的理论和实际能量密度。然而，由于功率密度严重依赖于电池结构，您很少会发现这些值列出。

3.电压

电池工作电压是另一个重要的考虑因素，它是由所使用的电极材料决定的。这里一个有用的电池分类是考虑水电池或水基电池与锂基化学电池。铅酸、碳锌和镍氢(NiMH)都使用水基电解质，标称电压范围从1.2到2v。另一方面，锂电池使用有机电解质，标称电压为3.2至4 V(一次和二次)。

许多电子元件工作时的最低电压为3v。锂基化学物质较高的工作电压使得单个电池可以被使用，而不是串联两个或三个水基电池来组成所需的电压。

另一件需要注意的事情是，一些电池化学物质，如锌锰二氧化(Zn/MnO)₂)有一个倾斜的放电曲线，而其他有一个平坦的轮廓。这会影响截止电压(图3)。

4.温度范围

电池的化学性质决定了应用的温度范围。例如，水电解质锌碳电池不能在低于0°C(32°F)的温度下使用。碱性电池的容量也会急剧下降，尽管低于锌碳电池。使用有机电解质的锂原电池可以在-40°C/F的温度下工作，但性能会显著下降。

在可充电应用中，锂离子电池只能在大约20-45°C(68°-113°F)的狭窄窗口内以最大速率充电。在此温度范围之外，需要使用较低的电流/电压，从而延长充电时间。在低于5-10°C(41-50°F)的温度下，可能需要涓流充电，以防止可怕的锂枝晶电镀问题，这增加了风险热失控．我们都听说过锂电池爆炸，这可能是由于过度充电，低温或高温充电，或污染物短路造成的。

其他电池注意事项

除了上面列出的四个主要考虑因素外，在为特定应用选择电池时，下面列出的基本因素也会起作用。

保质期

电池在使用前能在仓库或架子上存放多久可能是一个重要的考虑因素。一次电池的保质期比二次电池长得多。然而，对于原电池来说，保质期通常更重要，因为二次电池有充电的能力。一个例外是充电是不实际的。

化学

上面列出的许多特性都是由细胞化学决定的。我们将在本博客系列的下一部分讨论常用的电池化学物质。

物理尺寸和形状

电池通常有不同的尺寸格式-例如纽扣/硬币电池，圆柱形电池，棱柱形电池和袋状电池(其中大多数是标准化的)。

成本

有时候，由于应用程序对成本非常敏感，您可能需要放弃性能更好的电池。对于大批量的一次性应用尤其如此。

运输及处置规例

锂电池的运输受到管制。某些电池化学物质的处置也受到管制。这可能是大容量应用程序的一个考虑因素。

正如你所看到的，在选择电池时有很多考虑因素。其中一些与化学有关，而另一些则与电池设计和构造有关。这使得在对影响电量的因素没有更基本的了解的情况下进行电量比较变得更加困难，有时甚至毫无意义——我们将在本系列的第二篇博客中探讨这个主题。

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