为您的项目选择电池化学成分

如果您正在开发一个需要便携式电源的产品，您可能会立即想到使用流行的锂聚合物电池或简单的AA电池。然而，这真的是您设备的最佳选择吗？让我们来看看外面的广泛选项，以及在选择电池时需要考虑的其他因素。

需要考虑的关键点

工程师经常忽视的电池选择方面的一个方面是产品将如何交付给最终用户。由于锂基电池的运输规定，通过邮件将含锂聚合物电池的产品送达最终用户可能会很困难。但是，运输电池不仅仅是规定问题，例如铅酸电池非常重，由于重量可能会导致交付成本显著增加。这些缺点可能会抵消您从这些电池类型中获得的任何好处。

另一个经常被忽视的考虑因素是设备使用地点的环境条件。如果产品将在户外或工业环境中使用，您可能会发现它暴露在远低于或高于某些化学品能够处理的温度下。当您在室温实验室测试产品时，一切看起来都很好，然后产品最终在加拿大暴露在-40°C下，或在澳大利亚经历+45°C的环境温度，突然之间，电池的性能不如预期。电池基于化学反应，这些反应在-40°C时会减慢，如果电解质完全冻结并停止电池的功能。在澳大利亚的例子中，太阳下的黑盒子可以轻松达到70°C以上。如此高的温度可以导致一些化学品以火热的方式失败。

如果您的产品将是便携式的，电池的体积和重量可能在选择中扮演重要角色。助听器就是一个很好的例子，您不会期望在助听器中看到铅酸电池，至少不是用于人类的那种。

电池的电压也可能在您的选择中扮演重要角色。如果您需要多个电池单元来实现项目实用的电压，包装可能变得过于笨重或不切实际。与电压密切相关的当然还有电流。一些电池能够提供非常高的电流，而其他电池可能很难产生太多电流。如果您对电机、明亮的LED或处理能力有高电流需求，您可能立即排除许多化学品。

作为这些考虑因素的一个例子，我曾经有一个实验性的自动驾驶仪导致一架小型无人机农作物摄影飞机坠毁。坠机地点在一个已经6个月没有下雨的田野中央，那天是42°C（107.6°F）有风的一天。一个大型4芯锂离子聚合物电池被压碎，其中一个电芯开始失效。这种情况通过其他电芯级联扩散，直到排放的气体着火，引燃周围的草地。幸运的是，我们当时手头有一辆消防车，否则这本可以是一场重大灾难。从那以后，我们只飞行使用LiFePO4电芯的无人机，因为它们不会展现这种级联故障模式，并且更加稳定。我需要锂二次电池的能量密度，但不需要那种可能造成数百万火灾损害赔偿的能力。

火势看起来可能不算什么，但如果这发生在它的飞行区域的远端，靠近远处的树木那里，那将是一场巨大的灾难，因为我们开车到达那里需要一段时间。我测试新硬件/固件时已经坠毁了数十架飞机，这是第一次有一架起火了。这表明，尽管经过了大量测试，如果情况恰到好处，电池行为的边缘情况仍然可能突然给你带来麻烦。

一次性电池与二次电池

当寻找电池时，你需要考虑是否选择可充电电池。在你的设备中加入充电电路非常方便，但这也可能伴随着重要的监管要求和安全认证。基于锂的电池对充电方式非常敏感，如果处理不当，可能会引发火灾灾难。其他化学类型的电池即使过度充电也能愉快地应对，而不会变成火箭发动机。

如果你有一个设备将长时间存储，并且在使用时需要极高的可靠性，那么可充电电池可能不是你正在寻找的解决方案。你可能遇到的例子包括个人定位信标和自动体外除颤器。

那么什么是一次性电池或二次电池呢？简单来说，一次性电池是单次使用的。电池中的化学物质产生电荷，但这个反应不能通过充电来逆转。二次电池允许通过充电来重复使用。

一次性电池通常与其二次电池对应物相比，具有相对较高的能量密度和储存寿命。二次电池更为方便，因为它们在耗尽后不需要更换，然而，它们不能在充满电的状态下长时间存储，并且对于相同的电池尺寸可能没有与一次性电池相当的容量。

快速比较

这里是我认为每种化学类型的重要因素的快速比较。

一次性电池

对于放电电流，C是容量。所以2500mAh电池的0.1C放电将是250mAh。

二次电池

镍镉电池在欧洲新应用中被禁用。

碱性电池

大约80%的电池是碱性电池，因此它们可能是你接触最多的电池类型。它们是一次性电池，意味着它们是不可充电的。你会发现它们有许多常见的形式，如字母大小（AAA、AA、C、D）、纽扣电池或电池组（9v电池）。这些常见形式并非碱性电池专有，但它们是你最可能找到碱性电池的标准形式。

碱性电池的标称电压为1.5v。然而，新电池的电压会根据其质量从1.5v变化到1.65v。一个完全放电的电池会有一个大约0.8v到1.0v的静态电压。

这个电压范围对大多数电子设备来说相当方便，因为三个电池加上一个低压差线性稳压器就可以运行一个3.3v的设备。在电池容量的末端，电压会下降，但大多数集成电路会优雅地处理较低的电压。然而，由于相同的电池尺寸用于标称电压为1.2v的二次电池，通常你至少想使用四个电池组来为3.3v的设备供电。

碱性电池的放电电流相对较低，可用容量直接与电流消耗相关。对于一个AA尺寸的电池，如果有25mA的电流消耗，你可以期待大约2700mAh的容量。然而，在500mA的负载下，你会看到可用容量只有大约一半。

碱性电池没有空运的限制，并且在世界上几乎每一个杂货店、便利店和五金店都可以买到，这使得更换耗尽的电池非常简单。名牌碱性电池的成本可能相当高，但低成本品牌和商店品牌可能非常便宜，且几乎没有容量损失，甚至可能拥有比名牌选项更大的容量。

碱性电池的一个主要缺点是它们容易泄漏。一些名牌电池宣称为100%防泄漏并提供保证，根据你的应用，可能值得为此支付品牌溢价。泄漏是由电池放电并产生氢气造成的。这种气体可能导致外壳和盖子之间的隔离失效，或其他安全装置如通风口打开。一旦密封失败，酸就会以结晶体生长的形式泄漏出来，与之接触的大多数金属都会腐蚀。

碱性电池很容易回收，世界各地（特别是在欧洲）的许多杂货店和办公用品店提供了回收箱。

在Octopart上比较碱性电池。

锂电池（一次性电池）

消费者使用的锂原电池主要有两种化学类型，锂锰二氧化物（Li-MnO2）和锂铁二硫化物（Li-FeS2）。锂锰二氧化物电池的标称电压为3-3.3伏，通常用于纽扣电池包装中。锂铁二硫化物电池最常见于高放电/容量的碱性替代电池，尺寸为AAA/AA。

如果您在航空航天或军事应用领域工作，锂碳一氟化物是一个可行的选择，因为它在高温下自放电率低，并且已被认证用于太空应用。高能量密度使其非常适合此类应用，然而其成本对于消费产品来说过于高昂。

所有类型的锂电池都受到空运限制。一些航空公司、快递公司和邮政服务可能完全不再运输它们，或者可能限制仅运输安装在消费设备中的电池。不幸的是，这并非出于过度谨慎；由于电池包装不当或存在缺陷，已有数架货运飞机因锂原电池和二次电池起火而失事。通过搜索NTSB和CTSB的记录，您可以找到多起涉及锂电池的火灾事件。

锂锰二氧化物

这种类型的锂电池是市场上最常见的。您可能会发现它们被用于驱动手表或实时时钟电池，因为它们具有低自放电和高能量密度的特点。在高温下，自放电率会迅速上升，使其最适合室温应用。

电池的标称电压为3.0伏，但新电池的开路电压约为3.3伏。一旦完全放电，电池的开路电压约为2.0伏。在一个2500mAh的电池中，5mA到100mA的放电率对可用容量几乎没有影响。然而，在200mA的负载下，电池只有1700mAh的可用电量，在300mA的负载下，这个数字下降到约1300mAh。锂锰二氧化物电池能够很好地处理短时间的高电流脉冲，但不适合持续负载。它们的可用电流也随温度显著变化。例如，在60°C时，之前提到的2500mAh电池在40mA的负载下可以消耗全部的2500mAh，但到了0°C，这个数字下降到约2200mAh。它在-10°C到-20°C之间进一步迅速下降，从1800mAh降到仅1000mAh以上。

最常见的纽扣电池尺寸在全球的便利店和杂货店都能轻松购得。不幸的是，这些电池也可能与同样包装的更便宜的碱性替代品放在一起。如果您的设备需要高放电脉冲或锂电池的更大容量，最终用户可能无意中使用了碱性电池作为替代品，这可能导致您的设备无法按照规格正常工作。

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锂铁二硫化物

如果您需要在极低温度下使用的电池，锂铁二硫电池几乎无人能敌。这些电池通常作为Energizer Lithium/Lithium Advanced AAA或AA尺寸的电池出售。与碱性电池相比，这些电池的瓦时价格非常高。然而，如果应用程序需要长寿命，或者更换放电电池很困难，它们可能是唯一可行的选择。我曾在一个需要在-50°C下工作的应用中使用过这些电池，它们是唯一有效的电池。

这些电池的标称电压为1.5v，充满电的开路电压约为1.7v。当完全放电时，电池的开路电压会降到约0.8v。除了这些电池的低温性能外，它们还能非常好地处理相对较高的连续放电率。一个AA形状的Energizer Ultimate Lithium电池的容量几乎是碱性电池的两倍，最值得注意的是，在1安培负载下，这种容量几乎不会下降。在1安培负载下，电池几乎能保持其3500mAh的全部容量，而碱性电池在其额定低电流容量下可用的容量不到1/3。

您将在世界上大多数较大的商店中找到这些电池。由于它们相对较高的成本，小型便利店并不总是有售。

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氧化锌

有时被称为锌空气电池，您会发现这些电池的尺寸范围有限。主要是，这些电池用于助听器，并且具有巨大的容量，但一旦激活，它们的寿命非常短。锌空气电池在电池的一侧有一个贴纸，以防止空气进入。空气中的氧气形成阴极，所以一旦移除贴纸，电池就可以工作。电池的阳极饱和有一个电解液，它会吸引大气中的水分并降低效能，同时与二氧化碳反应，减少其导电性。这些属性使得电池一旦暴露，无论使用与否，其服务寿命约为7到12天。如果您的应用程序允许频繁更换电池，并且形状非常小，这种电池可能适合您。

氧化锌电池的标称电压为1.4v，当完全放电时，开路电压约为1.05v。虽然这种化学性质在市场上具有最高的能量密度，但放电率相当有限。Energizer认为，对于一个600mAh的电池，每2小时一次的24mA脉冲和8mA的连续放电对电池来说是高负荷，而5mA的抽取被认为是标准负荷。放电容量也高度依赖于温度，化学反应在大约-10⁰C以下不实用。

您可以在世界各地出售任何类型电池的大多数商店以及药房购买助听器电池。尽管服务寿命短，但这些电池的便利可用性可能使它们非常有吸引力。

氧化银

您只能在纽扣电池形式中找到氧化银电池，它们相对较贵。具有相同尺寸和电压的碱性电池容易获得，但容量明显较低。如果您需要一个紧凑的、低电流的解决方案，能提供多年的使用寿命和高容量，您可能会考虑使用氧化银电池。

标称电压略高于碱性电池的1.55伏，电池可以放电至1.2伏。从室温下降到-20⁰C时，容量以线性方式下降，此时电池的可用容量约为室温时的50%。氧化银电池具有极低的放电性能，大多数数据表仅提供0.2mA的放电曲线，没有展示脉冲负载能力。

与同尺寸的碱性电池相比，氧化银电池更难找到。在英国的本地商店中，我只能找到碱性和锂纽扣电池。它们在网上容易获得，但可能不是您在做日常购物时能够随手购买的替换电池。

在Octopart上比较氧化银电池。

铅酸

铅酸电池按瓦特小时计算非常便宜，但相当笨重且非常重。您通常会在汽车和报警系统中找到它们。如果您需要在固定的远程位置运行系统，可能还需要在白天进行太阳能充电，那么铅酸电池可能正是您所寻找的。这些电池对充电不太挑剔，相当安全，一块100安时的休闲电池可以以最低的成本非常可靠地运行大多数系统较长时间。

铅酸电池的标称电压为每个电池2.1伏，但很少以单个电池的形式提供。它们通常以3、6或12个电池的配置提供，报警电池为3或6个电池，汽车和休闲电池有6个电池，卡车电池有12个。短时间内的放电率相当令人印象深刻；典型的轻型卡车电池在寒冷时可以放电超过7C。

由于铅和硫酸的构成，电池的处理可能很困难，并且如果损坏可能高度危险。通常，购买新电池时，您将能够交回旧电池进行回收。

在Octopart上比较铅酸电池。

镍镉

镍镉电池是一种较旧的技术，几乎完全被NiMH（接下来讨论）所取代，而且这种化学物质在欧洲被禁用于所有新应用。这些电池非常便宜，可以处理非常高的放电率，这一点很吸引人，然而，环境危害抵消了这种化学物质的轻微成本优势。

由于在欧洲的使用限制，这种化学物质可以被认为是过时的，不适用于任何新设计。

镍氢电池

与镍镉电池不同，镍氢电池在全世界都有大量供应。如果你正在研发一款消费类设备，镍氢电池是一个非常有力的备选二次电池。它们的能量密度不如基于锂的二次电池，但也没有运输限制，如果充电不当不会起火，并且非常便宜。镍氢电池不适用于高放电应用，并且有高自放电特性。然而，有新型化学物质具有低自放电特性，但这些电池的能量密度仍然较低。

镍氢电池的标称电压低于同尺寸的碱性电池，为1.2v而不是碱性电池的1.5v。这在为碱性电池设计的电路中可能会引起问题。当完全放电时，电池的开路电压约为0.9v。虽然这种化学物质不适合连续高放电电流，但它仍然能够处理2C放电。

自放电可能是镍氢电池的一个主要问题。作为低自放电（LSD）宣传的新型化学物质每月可能只损失1%的容量，这与原电池相似。这带来了大约8-10%电池容量的损失。另一方面，非低自放电化学物质在充电后的第一天可以损失20%的电量，此后每天可达4%。对于电流抽取量很小的应用，低自放电电池的容量损失可以通过延长服务寿命来弥补。

镍氢电池广泛可用，但检查其包装上的容量是非常值得的。在较大的电池尺寸，如C和D中，大品牌已知会在塑料外壳中安装一个较小的电池，这使得电池的容量只有预期的一小部分，价格却比不太知名的品牌高。这意味着你可以很容易地找到AA、C和D电池，它们都有相同的容量和类似的重量，例如来自Energizer的品牌。

在Octopart上比较镍氢（NiMH）电池。

镍锌电池

如果镍氢电池低于碱性电池的电压使它们不适合你的应用，镍锌电池可能是你正在寻找的，因为它有更高的电压。镍锌电池的发明可以追溯到1901年，但直到最近，商业选项在解决了非常有限的电池寿命后才变得可行。现在，NiZn电池可以达到与NiMH电池相似的循环次数。不幸的是，这些电池确实有相当大的自放电，据报告在大约30个循环后自放电会显著增加。

NiZn电池的化学成分提供了1.65伏的标称电压，但充电后可能高达1.85伏。如果设计中预期使用的是NiMH或碱性电池，那么根据串联电池的数量，电压可能超出某些组件的额定值。电池完全放电后，电压将降至1.1或1.2伏。这些电池的制造商数据表通常带有3C或更高放电率的图表，显示放电容量的下降几乎可以忽略不计，这使得它们非常适合高电流设备或有高电流脉冲的设备。

我认为，这些电池的自放电是它们最大的缺点。自放电率相当高，每月超过10%！如果您的应用要求电池能持续数月，则可能会排除NiZn电池。如果您需要高安培数或比NiMH更高的电压，并且可以更频繁地充电，那么这可能不是问题。

目前，NiZn电池最常见的形式是AAA和AA，我只在网上找到它们。我访问的英国的电子和摄影商店没有库存。

锂电池（二次电池）

就像它们的一次性电池对应物一样，锂二次电池由于它们变成火焰末日的火箭引擎的倾向而受到旅行的严格限制。您可能已经从媒体上听说过手机、笔记本电脑或平板电脑变成火球的故事！嗯，那是因为锂电池。许多国家的空运是不允许的，甚至地面运输也可能受到限制。这可能使得销售带有集成可充电锂电池的产品变得非常困难。我对锂二次电池有很多经验，并且感觉到火灾的危险被夸大了，但我确实遇到过火灾，这肯定是需要考虑的事情。

锂电池具有非常吸引人的能量密度和某些化学成分中惊人的放电率。然而，这种易变性意味着它们对过度放电、过度充电、过热和过高的电流抽取非常敏感。如果您正在使用锂二次电池，您应该确保您的充电和电池保护电路是合适的。在设计中附加热传感器到锂电池上是非常常见的，以允许设备在电池因放电或充电过热时关闭。

锂电池有很多可用的化学成分，您可能实际上并不知道您正在购买什么。您将看到的最常见的是钴酸锂（LiCoO2），通常标记为‘ICR’。越来越受欢迎的是锰酸锂（LiMn2O4），通常标记为‘IMR’。锰比钴便宜得多，并且导致更高的电池电压（3.9伏的标称电压对比3.7伏的标称电压）。然而，锰电池的能量密度较低。高放电电池可能是镍锰钴酸锂（LiNixMnyCo1-x-yO2），被标记为‘INR’。INR电池也具有非常好的能量密度，是您可能在电动车中找到的。这些都是锂离子技术，也可用于锂离子聚合物结构。磷酸铁锂（LiFePO4）则另外讨论。

锂离子与锂离子聚合物

两者之间的主要区别在于构造方法。锂聚合物电池使用一种带有凝胶电解质的薄微孔聚合物膜，这导致其具有更高的能量密度和更高的放电率潜力。这种薄聚合物膜也是使聚合物电池更易挥发的原因，因为电池更容易短路或过热引起问题。这种情况，结合更高的能量密度，允许更具活力的故障。

你会发现这两种构造都可用于圆柱形电池，以及棱柱形（袋装）电池。通常，锂离子电池的成本较低，因为其构造较为简单。

3.7v标称化学品的峰值充电电压为4.2v，且绝不应放电至3.0v以下。电池放电至每个电池低于2.8v将会受损，其寿命将会缩短，充电或大量放电时变得不稳定的风险更大。

磷酸铁锂

LiFePO4是其他锂离子电池的平静、略低密度、低电压表亲。

磷酸铁锂提供3.2v的标称电压，且放电不应低于2.2v。放电至2.0v是冒着损坏电池的风险。与锂离子电池，尤其是锂离子聚合物电池相比，它们在相同重量/体积下的峰值放电电流和容量约低20%。如果你的应用需要高放电，但也需要比其他锂选项更高的安全性，那么这种电池可能适合你。

关于我关于火灾的故事的注释，那时我每周都在测试飞机或两次，以解决故障。通常，电池可能看起来像香蕉但仍然可以正常使用，但只需一次事件，即电池内部短路并引起火灾，就会造成大量损害。较小容量的锂离子聚合物电池相当难以引燃。我非常努力地尝试物理损坏100-200mAh额定包装以至于引起火灾，但没有任何成功。然而，过度充电即使是小电池也很可能以不好的方式结束。

在Octopart上比较锂离子电池。

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