基礎電子學系列27 – 電池和電池組

在上一篇文章中，我們討論了不同類型的電源。對于原型制作和測試電路，線性穩(wěn)壓電源是最經(jīng)濟可行的自助解決方案。線性穩(wěn)壓電源的功率輸出也可以借助可變電阻器進行調(diào)整。不想費心設計自己的電源的電子愛好者和初學者可以購買可調(diào)式臺式電源，用于常規(guī)電路測試和原型制作。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是基于電池的，因此您遲早需要在您的設計（電路）中添加基于電池的電源。即使不是完全基于電池的電路也可能使用電池作為備用電源。因此，必須先了解這些電化學元件，因為它們將使您的電路在大多數(shù)情況下都能正常工作。

什么是電池

電池是以化學能的形式存儲電能的電化學裝置。當它們連接在電路中時，電流開始流過它們的端子，存儲在其中的化學能作為電能釋放回來。超級電容器與電池不同，因為它們以靜電場的形式儲存電能，而電池則以電化學方式儲存能量。

電池是兩個終端設備，總是有一個正極（陽極）和一個負極（陰極）。它們由三部分組成——陽極、陰極和電解質。當電池連接到電路時，由于與電解質發(fā)生化學反應，電子從陰極流向陽極。顯然，傳統(tǒng)電流的方向是從陽極到陰極。

電池類型
電池主要有四種類型：

• 原電池

• 二次電池

• 儲備細胞

• 燃料電池

原電池
原電池和電池是不可充電的一次性電池。這些電池中的電化學反應是不可逆的，因此一旦耗盡就無法再充電，如果長時間不使用甚至會放電。這些電池是一次性使用的，一旦耗盡就需要丟棄。此類電池最適合基于電池的應用，這些應用通常具有低功率要求并且打算完全由電池供電運行很長時間。原電池也用于許多軍用級應用（無線電和通信），因為在此類應用中更換電池比給電池充電更方便。常用的原電池包括紐扣電池、AA 和 AAA 電池。

RJD 系列鋰離子紐扣電池具有物聯(lián)網(wǎng)可穿戴應用所需的高功率密度。（圖片：伊利諾斯電容器）

這些低成本、小尺寸的電池通常是干電池，具有良好的電荷保持能力，適合長期使用。它們既不適合也不適合需要高放電率的重負載應用，也不適合備用電源或負載均衡。

有許多類型的原電池可用。一些流行的原電池包括以下內(nèi)容。

堿性電池：這些是最流行的原電池，由 1.5V 電池組成。它們比能量高，壽命長，環(huán)保，使用安全，防漏，成本低。這些是低電流應用的理想選擇，并用于電視遙控器、掛鐘和玩具等許多消費類設備。它們的主要缺點是重量，因為它們很重。

鋅碳電池：這些是重型電池，是堿性電池的低成本替代品。但它們的比能量（能量密度）較低，放電倍率性能較差。這些通常用作堿性電池的成本削減替代品。

原鋰電池：這些體積小、重量輕的電池旨在用于低電流應用。這些被用作堿性電池的替代品，其中尺寸和重量是成本的主要考慮因素。

汞電池：這些電池不像其他原電池化學物質那樣是干電池。這些小尺寸電池具有更長的壽命和穩(wěn)定的電壓。它們通常用于尺寸限制應用程序。

二次電池
二次電池是可充電電池。它們的電化學反應可以通過充電來逆轉。在充電過程中，充電電流通過與放電電流方向相反的端子。一旦充電，這些電池就會恢復到放電前的狀態(tài)。

二次電池初始成本高；但是，由于它們可以多次重復使用，因此它們的生命周期成本較低。在許多應用中，使用低功率的二次電池比一次電池長時間使用更劃算。這就是低功率二次電池通常用于移動設備和小工具的原因。這些電池還可用于重型應用和需要高放電率性能的應用。這就是二次電池用于負載均衡、電動汽車和備用電源等應用的原因。一些流行的二次電池包括：

鋰離子電池：這些是最流行的二次電池。它們有多種化學成分，如鈷酸鋰、硫磺鋰和磷酸鐵鋰。這些輕型電池具有最高的能量密度和出色的放電倍率性能，廣泛用于智能手機、便攜式小工具和基于電池的消費設備。最近，三位科學家——John B Goodenough、M Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino——因在開發(fā)鋰離子電池方面的工作而獲得 2019 年諾貝爾化學獎。

適用于為可穿戴設備等小型應用供電的針型鋰離子電池。（圖片：松下工業(yè)電池）

鉛酸電池：這些是最早的二次電池。這些是重型、大尺寸電池，用于重型應用，成本低于其他電池，因此可用于汽車等非便攜式應用和備用電源。盡管比能量低且重量大，但這些電池具有高功率重量比。它們以密封鉛酸 (SLA) 電池的形式提供。

鎳鎘電池：這些耐用的二次電池使用金屬鎘和氧化鎳氫氧化物作為電極，并且以高放電率提供其全額定電壓而聞名。它們具有低自放電和長壽命。鎳鎘電池的一個主要缺點是它們具有記憶功能——如果充電不當，它們的壽命會縮短。

鎳金屬氫化物：這些電池類似于 Ni-Cd 電池，不同之處在于它們使用吸氫合金而不是鎘。它們具有更高的能量密度，不需要特定的充電程序。然而，與 Ni-Cd 電池相比，這些電池的壽命較短，可能需要在 1000 次循環(huán)之前處理掉。

備用電池
與原電池一樣，備用電池也主要用于一次性使用，但具有與電極隔離的電解質或與電解質隔離的電極。大多數(shù)備用電池都有隔離的電解質。只有在使用電池時，電解質才會被激活。由于電解質和電極保持隔離，這些電池不會自放電（像原電池一樣）并且使用壽命更長。一些流行的備用電池包括電解質激活電池、熱激活電池（熱電池）、水激活電池和氣體激活電池。這些電池通常用于軍用級應用。

燃料電池
在燃料電池中，活性材料從外部注入電池。電池僅在活性材料被供給之前保持運行。燃料電池通常用于太空應用，但也用于電動汽車、負載均衡和備用電源等應用。

基本燃料電池的工作原理。（圖片：FCHEA）

大多數(shù)基于電池的嵌入式設備使用原電池。許多嵌入式設備可能會使用二次電池，例如在工業(yè)應用中，使用二次電池可能非常劃算。備用電池和燃料電池的應用有限，在廣泛使用的電子產(chǎn)品中可能看不到。與電感器一樣，電池也是特定于應用的。因此，為給定電路或應用選擇電池類型并不是一項艱巨的任務。但是在為給定應用選擇電池時，您確實需要考慮其他要求，例如端電壓、安全性、合規(guī)性、尺寸和幾何形狀。

我們已經(jīng)討論了基于可重復使用性和化學性質的不同類型的電池。在下一篇文章中，我們將討論電池的幾何形狀和尺寸。