圖 1. 電池設計與性能
1.原電池 VS. 蓄電池
電池選擇的首要考量之一,就是決定其應用需要使用的是原電池(一次性)或是蓄電池(可充電)。 在大多數情況下,這對設計師來說是一個容易的決定。 非常態性的應用(如煙霧報警器、玩具或手電筒)和不可充電的一次性應用(如助聽器、手錶、電子賀卡和心律調整器 )皆需要使用原電池。 如果電池長時間連續使用(例如在筆記本電腦、手機或智能手錶中),則可充電電池更合適。
原電池的自放電率要低得多——在首次使用前無法充電時,這是一個具有優勢的特性。 蓄電池則是有較高的功率耗損,然而這在大多數應用中不太重要,因為可重複充電。
2.能量 VS.功率
電池的運行時間由以 mAh(毫安/小時)或 Ah(安培小時)表示的電池容量決定,並且是電池可以隨時間提供的放電電流。
在比較不同化學成分的電池時,查看能源含量是很有用處的。要獲得電池的能源含量,請將電池容量(以 Ah 為單位)乘以電壓,以獲得以每瓦特/小時 (Wh) 為單位的能量。例如,1.2 V 的鎳氫電池和 3.2 V 的鋰離子電池可能具有相同的容量,但鋰離子的較高電壓會增加其能量。
開路電壓通常用於能源計算——即未連接到負載時的電池電壓。然而,容量和能量在很大程度上取決於能量消耗率。理論上,容量僅由活性電極材料(化學)和活性質量決定。然而實際上,由於存在非活性材料和動力學限制,導致實際的電池只能達到理論中容量的一小部分。這些會使我們無法充分利用活性材料,並在電極上產生堆積。
電池製造商通常會在指定的放電速率、溫度和截止電壓的條件下,標示其電池容量。指明的容量將取決於以上三個因素。在互相比較製造商的容量等級時,請特別關注能量消耗率。如果其應用的電流消耗較高,則在規格表上看似具有高容量的電池,實際上的效能可能不盡理想。例如,將ㄧ顆標示為 2 Ah 的電池,連續放電 20 小時,仍無法提供 1 小時的 2 A 電流 ,而只能提供一小部分容量。
高功率電池以高耗電率提供快速放電能力,例如電動工具或汽車啟動電池。通常高功率電池就具有低能量密度。
可以把功率與能量之間的關係,想像成一個有出水孔的桶。越大的水桶可以容納更多的水,就如高能量的電池。出水孔的尺寸就類似於電池的功率— —功率越高,能量消耗率越高。要增加電池能量,我們通常會將電池尺寸設計的更大;若要增加功率,則會降低電池內的電阻。總歸一句,電池結構設計與高功率密度的電池的關係密不可分。