電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
本文作者是具備30年以上經驗的電子工程師，對許多技術范疇都有涉獵，包括數位、類比、電源、通訊、微控制器…等等。因為他在電池技術方面有些研究，于是寫了一系列的專欄，為讀者解析各種電池種類、相關技術、專業術語、規格以及使用環境。
接下來的文章，作者將具體解析各種類型的電池，并知道要怎么樣針對特定使用選擇適合的電池技術。電池是在1800年由義大利物理學家AlessandroVolta所發明，如果Volta還在，應當會對目前他的發明如此無所不在（而且多樣化）而感到驚嘆。
但其確實某些使用中，選擇使用電容器或許比電池更適合。很驚愕嗎？也許在它們強調具備穩定、高浪涌能力供電時，你可能考慮過采用電容器；有時候涉及極輕負載，也有可能忽略常規的電源使用，而考慮采用超級電容。當我們進一步討論到電池的專業術語以及技術，希望能進一步厘清電容器與電池該要怎么樣抉擇。
而要針對一項特殊使用來選擇電池技術，要考量的因素有很多；除了相對尺寸、重量與成本（有便宜的、也有貴的，還有你根本負擔不起的！）。在接下來的系列文章中，筆者計劃將涵蓋的兩大重點包括：
1.使用與儲存環境：這方面將探討的包括溫度、大氣壓力、海拔高度、機械應力、振動、安裝位置、輻射硬化（radiationhardening）、腐蝕侵襲、包裝/形狀、儲存與保存期限、萌生的廢棄物/氣體、所需耗材、安全性、材料、RoHS規范…等等。
2.使用：類型（包括主要、次要以及智慧型）、技術、化學品、效率與耗損、充放電周期與速度、放電深度、使用壽命、記憶效應、充電技術、電容/電池混合技術、容量、密度（能量與重量）、保護電路、量測與計量（gasgauge）、品質、可靠度、充電與運作時間。
自從Volta發明第一代電池，多年來電池已經演化出許多種類，包括以下這些技術：鉛酸（pbX）、鎳鎘（NiCd）、鎳氫（NiMH）、鎳鋅（NiZn）、氧化鋅（ZnO）、鋅碳（Zinc-carbon）、氯化鋅（ZnCl2）、鋅二氧化錳（ZnMnO2，即鹼性電池）。
還有一系列的鋰離子電池：鋰-二硫化鐵（LiFeS2）、鋰-二氧化錳（LiMnO2）、亞硫醯氯鋰（LiSOCl2）、氟化碳鋰聚合物（LiCFX）、鋰二氧化硫（LiSO2）、鋰碘（LiI2）、鋰氯化鋁（LiAlCl4）、鋰鈷氧化物（LiCoO2，LCO）、磷酸鐵鋰（LiFepO4，LFp）、鋰錳氧化物（LiMn2O4，LMO）、鋰鎳錳鈷氧化物（LiNiMnCoO2，NMC）、鋰鎳鈷鋁氧化物（iNiCoAlO2，NCA）、鈦酸鋰（Li4Ti5O12，LTO）。
此外還有氧化銀（Ag2O）、銀鋅（AgZn）、硫化鈉（Na2S4），以及核子或原子電池。
何謂電池？
以傳統的觀點來看，電池是一種內含化學反應物質并藉此萌生電力的裝置，但這種定義隨著時間演進已經開始模糊；這會是一個有趣的話題，也許我們能在這一系列文章的最后，再來好好討論一番。
訣竅1.：開始選擇電池
筆者選擇電池都是先看使用環境，通常我們能將技術選擇范圍依據環境上的限制來縮減；舉例來說，當電池運作環境溫度達到325°C，就可以不用浪費時間去找鋰離子電池，在那樣的環境之下，標準鋰離子電池無法涉足但鈉硫（sodium-sulfur）電池則能生存。另一個例子是需要周期性加水的舊式（非膠狀）鉛酸蓄電池，這種電池自然無法在完全密封的環境中使用。
訣竅2.：能量與功率的差異
能量（Energy）與功率（power）這兩者常會讓人混淆，需要特別留意的是，電池可儲存的是潛在的能量，當負載電流時，那些潛在能量才會被轉換為電功率，在幾伏特電壓（V）之下可達到幾安培電流（A），然后計算出是幾瓦功率（W=V×A）。可傳遞到負載的總能量，是瞬時電壓乘以瞬時電流，也就是v（t）xa（t），以時間來求積分──因為能量的單位是焦耳（joule，J），即功率乘以時間秒數。
規格與專業術語
我們仿佛總希望找個擁有最大的「沖擊力（wallop）」的電池，但能接受的價位是多少？需要多大的尺寸與重量？顯然我們總是會做一些折衷，因此我們需要了解制造商是要怎么樣詳列所有這些技術規格；在將來的文章中也會再更具體提到這些，以下我們先解析幾個相關術語與規格。
˙一次與二次電池（primary/secondarybatteries）：所謂的一次電池就是那些能在組裝之后立即萌生電壓、馬上使用的產品，但大多數無法充電；二次電池則能在組裝、第一次使用之后進行充電，而且通常是可以重復充電。
˙智慧型電池（smarttype）：這種類型的電池組含用以監測電池、并將電池裝態與外部使用裝置通訊的元件或電路，通常該監測電路所提供的資訊包括充電狀態、溫度或環境資訊、電池健康狀態、使用年限、產品序號/型號…等等；有部分電路則是負責電源管理或是戒備過電流等安全功能。如果一顆電池有四個以上的連結介面，它就很可能是智慧型產品，將來我們還會解析相關議題。
˙內部電阻（internalresistance）與最大內部電阻：電池的內部電阻量測單位是歐姆（ohm），為電池內萌生電壓之零件并聯作用萌生的有效直流（DC）電阻。而最大內部電阻規格，則是基于安全性操作以及制造商要求，在充放電時的內部電阻最壞情況。要量測DC內部電阻，筆者通常使用兩階段DC負載（two-tierDC-load）辦法。
持續解析各種與電池相關的專業術語：
˙能量密度（energydensity）：以瓦特小時/每公升（Wh/L）或兆焦耳/每公升（MJ/L）為單位的能量對容量（或能量對尺寸）比；這個數字基本上是定義一顆電池以以尺寸來看，一顆電池的「強壯度」，也有的製造商以焦耳/每公升（J/L）來表示。
˙能量/消費價格（energy/consumer-price）：以瓦特小時/一美元（Wh/$US）為單位，這準許不同的能量源在成本方面進行比較；有時這個比數與單位會反轉，例如美元/千焦耳（$US/kJ）。
˙功率比（specificpower）：以瓦/每公斤（W/kg）為單位的功率對重量（或功率對質量）比值，這與能量比數不同，指的是一顆電池能提供的功率大小，數字越高通常意味著內部電阻越低。當負載電阻等于電池內部電阻與所有線路、連接器的電阻總和時，最大功率會傳遞至負載電流；不過因為高I2R損失，這種情況對于總能量傳遞并不非常有效。
˙電池芯（Cell）：能以基本化學反應而萌生電壓的最小電池封裝單位，若單一電池芯無法萌生足夠的電壓、電流、功率或運作時間，可以將數個電池芯以模組或更大的封裝方式連結在一起。有部分化學物質，電池封裝或模組製造商非得要經過訓練或認證才能進行銷售，這是基于安全性、相關元件、電路以及對化學塬料使用的一些特定需求。
˙鋰約當含量（equivalentlithiumcontent，ELC）：這是安全與旅行、貨運主管機關針對鋰離子電池所訂定的一個概略性的鋰離子電池內容物分類標準（以公克為單位）。8公克的鋰約當含量約等同于100瓦特小時；因此要計算一顆鋰離子電池的鋰約當含量，就是用其瓦特小時數乘以8/100──ELC=Whx0.08。
˙最大連續放電電流（maximumcontinuousdischargecurrent）：能從一顆電池上安全且連續不斷地汲取的最高電流，同時基本上不會讓電池整體性能降低或是造成損壞。
最大放電電流脈衝（maximumdischargepulsecurrent）：在製造商額定秒數脈衝下，電池能放電的最大電流；其次是額定復塬時間。這個數值通常都是由電池製造商所定義，以避免過度放電導致電池損壞或者是降低容量。
˙循環耐久性或循環壽命（cycledurabilityorcyclelife）：電池在無法達到其特定性能標準之前，可經歷的充放電循環次數；這種循環壽命是以特定的充放電情況來估計的。實際的電池運作壽命則會受到充放電循環速率與深度、以及其他因素影響，例如溫濕度；而放電深度越大，也會降低循環壽命。
˙充/放電效率（charge/dischargeefficiency）：這是一個百分比，為實際（充/放電過程）傳送之能量與額定能量的比值，其計算式是──實際能量/額定能量x100。
˙自放電率（self-dischargerate）：在無電流負載的情況下，電池每個月會流失的電量比例；就算沒有電流負載，電池內仍會發生緩慢的化學反應，降低電池的電量，這也是電池有庫存期限的主要塬因。
˙標示電池電壓（nominalcellvoltage，或譯標稱電壓、額定電壓）：電池製造商所公告的電池產品電壓值，通常為電池在使用壽命期間內的均勻放電電壓。
˙端電壓（terminalvoltage）：在施加電流負載時通過電池兩端的瞬態電壓（未穿過負載）；這會隨著充電狀態、及充放電電流歷程與環境而變化。
˙開路電壓（open-circuitvoltage）：在無施加電流負載時，穿過電池端點的電壓；開路電壓在電池以最佳充電辦法充電之后的「最清新」狀態下達到最高，有些電池的化學物質則是需經過一至兩次充放電週期，才會達到最高峰值。
充電電壓（chargevoltage）：將電池充飽時的電壓值。
˙浮動電壓（floatvoltage）：當電池被充飽之后，要維持其100%電量所需的電壓值；這用以補償電池的自放電。
˙截止電壓（cut-offvoltage）：可準許之最小端電壓值；這是電池製造商所認為的電池空量狀態，在此電壓值之下運作電池是不提議的，除非電池被設計為可解決深度放電的型態。
˙充電技巧：可充電電池的規格有很多種，大多數是以特定化學物質為基礎，有些是簡易的限定電壓、恆定電流技術，有些則是採用簡易的限定電流、恆定電壓技術，其余則是多階段充電（multiple-stagecharging）的組合與變化。這些我們在將來會更具體討論。
˙放電深度（DepthofDischarge，DOD）：電池放電量佔據額定電池容量的比例，當一顆電池達到80%的DOD，就算是深度放電。
˙荷電狀態（Stateofcharge，SOC）：電池目前容量在額定容量中所佔比例，此SOC值通常藉由在一段時間內整合的負載電流來計算，智慧型電池通常也是用這種辦法，提供比僅單獨監測端電壓更精確的荷電狀態量測。
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