基礎(chǔ)電子學(xué)系列28 – 電池的幾何形狀和標(biāo)準(zhǔn)尺寸

在之前的教程中，我們討論了不同類(lèi)型的電池。除了可重復(fù)使用性和電池化學(xué)性質(zhì)之外，電池的包裝方式也是一個(gè)重要因素，因?yàn)樗鼞?yīng)該可以容納在設(shè)備中而不影響安全規(guī)范。電池的幾何形狀和尺寸在其電路應(yīng)用中也起著至關(guān)重要的作用。

電池自 1700 年代就開(kāi)始使用，現(xiàn)在有各種形狀和尺寸可供選擇。最早的電池形狀是罐子設(shè)計(jì)。1896年推出大型F型電池，1898年推出D型電池。C型電池是1900年最先推出的小型電池，隨后是1907年推出的仍然流行的AA電池。目前電池主要有以下幾種形狀：

• 圓柱形電池

• 紐扣電池

• 棱柱形電池

• 軟包電池

電池尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化始于圓柱形電池的引入。1906 年，成立了一個(gè)非政府標(biāo)準(zhǔn)組織——國(guó)際電化學(xué)委員會(huì) (IEC)，以制定電池標(biāo)準(zhǔn)。1917 年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院 (NIST) 引入了標(biāo)準(zhǔn)電池尺寸的字母命名法，該命名法沿用至今。

電池尺寸
電池有以下尺寸可供選擇：

圓柱形電池
圓柱形電池是最流行的原電池和二次電池電池組，也是最容易制造的電池組之一。這些電池具有壓力釋放機(jī)制，使它們能夠承受高內(nèi)部壓力而不變形。其他好處包括高機(jī)械穩(wěn)定性、低成本、長(zhǎng)壽命和出色的循環(huán)能力。這些電池不會(huì)改變它們的形狀或大小，因此在電池之間有足夠的間距的情況下可以輕松地進(jìn)行熱管理。這些堅(jiān)固的電池的唯一缺點(diǎn)是它們的重量和由于空腔導(dǎo)致的低封裝密度。

圓柱形電池示例。

圓柱形電池非?？煽浚ǔв?PTC 開(kāi)關(guān)，當(dāng)負(fù)載消耗過(guò)大電流時(shí)該開(kāi)關(guān)會(huì)停止傳導(dǎo)電流，從而提供短路保護(hù)。一旦冷卻，開(kāi)關(guān)就會(huì)返回導(dǎo)通狀態(tài)。為了機(jī)械安全，這些電池使用膜密封或可重新密封的通風(fēng)口。一些鋰離子圓柱形電池使用充電中斷裝置，在暴露于不安全的機(jī)械壓力時(shí)斷開(kāi)電池。

圓柱形電池通常用于鎳鎘和鎳氫電池。它們有 AA、AAA、AAAA 等流行尺寸，也有 1/2 和 ? 等部分尺寸。18650 尺寸的可充電鋰離子電池也有圓柱形電池。18650圓柱形鋰離子電池已廣泛用于筆記本電池和電動(dòng)汽車(chē)，但隨著新型電動(dòng)汽車(chē)將依賴(lài)扁平電池設(shè)計(jì)，其需求正在減弱。盡管如此，21700、20700 和 22700 尺寸的鋰離子圓柱形電池仍將滿(mǎn)足各種消費(fèi)電子應(yīng)用的需求。

紐扣電池
紐扣電池或紐扣電池用作用于緊湊型便攜式設(shè)備的小型原電池。這些低成本電池可用于主板、手表、便攜式醫(yī)療設(shè)備和無(wú)繩電話(huà)。它們的主要優(yōu)點(diǎn)是尺寸緊湊，可以輕松堆疊在管中以實(shí)現(xiàn)更高的電壓。它們的主要缺點(diǎn)是缺乏安全通風(fēng)口和充電時(shí)間長(zhǎng)。這些電池主要用于緊湊型設(shè)備或作為電路某些部分的備用電源。紐扣電池還用于維持主板中的時(shí)鐘。

紐扣電池示例。

棱柱形電池
棱柱形電池采用扁平矩形設(shè)計(jì)，可最大程度地利用空間。這些電池沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)尺寸格式，它們的尺寸因制造商而異。它們通常用于手機(jī)、智能手機(jī)、筆記本電腦和便攜式電子產(chǎn)品，現(xiàn)在是電動(dòng)汽車(chē)的首選。這些電池的主要缺點(diǎn)是熱管理差、壽命短和成本高。它們?nèi)菀滓驓怏w積聚而膨脹，并且可能會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)膨脹，從而帶來(lái)安全隱患。由于膨脹和變形，它們還可能損壞它們所在的設(shè)備。

棱柱形或矩形電池示例

軟包電池
軟包電池是最靈活、最輕便的電池。這些電池帶有電極的密封箔片，具有柔軟的袋狀外殼，旨在容納電池中的任何膨脹。通常，小型軟包電池在幾百次充放電循環(huán)后可能會(huì)膨脹，而大型軟包電池可能會(huì)在幾千次循環(huán)后膨脹。這種電池設(shè)計(jì)是最輕便的，可以最大限度地利用空間。盡管這些電池專(zhuān)為輕負(fù)載而設(shè)計(jì)，但它們可以承受高負(fù)載電流，并且可以并排堆疊以獲得更高的電壓。

棱柱形或矩形電池示例

制造軟包電池時(shí)，它們會(huì)配備一個(gè)臨時(shí)氣囊。第一次充電時(shí)產(chǎn)生的氣體會(huì)逸出到氣囊中，氣囊隨后會(huì)被移除。然后將小袋密封并準(zhǔn)備供應(yīng)。在隨后的充電周期中，會(huì)產(chǎn)生最少量的氣體，這些氣體可能僅在數(shù)百或數(shù)千次循環(huán)后才會(huì)累積。

這些電池具有更高的能量密度；然而，這些制造起來(lái)非常昂貴。這些電池沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)尺寸格式——它們有多種尺寸，尺寸可能因制造商而異。軟包電池通常用于可穿戴電子產(chǎn)品（如藍(lán)牙耳機(jī)、音樂(lè)播放器和玩具）和便攜式設(shè)備。還有用于其他應(yīng)用的大型軟包電池，如 UPS、ESS 等。

未來(lái)趨勢(shì)
目前，圓柱形電池和紐扣電池是最流行的電池組。然而，隨著制造成本逐漸降低，趨勢(shì)正在轉(zhuǎn)向棱柱形和軟包電池。未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)可能會(huì)使用扁平設(shè)計(jì)的電池（棱柱形和軟包）。便攜式設(shè)備、小工具和消費(fèi)設(shè)備中使用的電池也可能出現(xiàn)同樣的趨勢(shì)。軟包電池可以像食品包裝一樣制造，而矩形電池可以通過(guò)改進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)更容易地制造。制造商仍在尋找提高扁平電池設(shè)計(jì)的安全性和熱穩(wěn)定性的方法，因?yàn)殡姵氐奈磥?lái)依賴(lài)于空間利用、重量和最大化能量密度而不影響安全性。

在下一篇文章中，我們將討論如何選擇電池。