基礎電子學系列28 – 電池的幾何形狀和標準尺寸

在之前的教程中，我們討論了不同類型的電池。除了可重復使用性和電池化學性質之外，電池的包裝方式也是一個重要因素，因為它應該可以容納在設備中而不影響安全規范。電池的幾何形狀和尺寸在其電路應用中也起著至關重要的作用。

電池自 1700 年代就開始使用，現在有各種形狀和尺寸可供選擇。最早的電池形狀是罐子設計。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

電池尺寸的標準化始于圓柱形電池的引入。1906 年，成立了一個非政府標準組織——國際電化學委員會 (IEC)，以制定電池標準。1917 年，美國國家標準技術研究院 (NIST) 引入了標準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制，使它們能夠承受高內部壓力而不變形。其他好處包括高機械穩定性、低成本、長壽命和出色的循環能力。這些電池不會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行熱管理。這些堅固的電池的唯一缺點是它們的重量和由于空腔導致的低封裝密度。

圓柱形電池示例。

圓柱形電池非常可靠，通常帶有 PTC 開關，當負載消耗過大電流時該開關會停止傳導電流，從而提供短路保護。一旦冷卻，開關就會返回導通狀態。為了機械安全，這些電池使用膜密封或可重新密封的通風口。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械壓力時斷開電池。

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汽車，但隨著新型電動汽車將依賴扁平電池設計，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足各種消費電子應用的需求。

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、便攜式醫療設備和無繩電話。它們的主要優點是尺寸緊湊，可以輕松堆疊在管中以實現更高的電壓。它們的主要缺點是缺乏安全通風口和充電時間長。這些電池主要用于緊湊型設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鐘。

紐扣電池示例。

棱柱形電池
棱柱形電池采用扁平矩形設計，可最大程度地利用空間。這些電池沒有標準尺寸格式，它們的尺寸因制造商而異。它們通常用于手機、智能手機、筆記本電腦和便攜式電子產品，現在是電動汽車的首選。這些電池的主要缺點是熱管理差、壽命短和成本高。它們容易因氣體積聚而膨脹，并且可能會在很長一段時間內膨脹，從而帶來安全隱患。由于膨脹和變形，它們還可能損壞它們所在的設備。

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后可能會膨脹，而大型軟包電池可能會在幾千次循環后膨脹。這種電池設計是最輕便的，可以最大限度地利用空間。盡管這些電池專為輕負載而設計，但它們可以承受高負載電流，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，它們會配備一個臨時氣囊。第一次充電時產生的氣體會逸出到氣囊中，氣囊隨后會被移除。然后將小袋密封并準備供應。在隨后的充電周期中，會產生最少量的氣體，這些氣體可能僅在數百或數千次循環后才會累積。

這些電池具有更高的能量密度；然而，這些制造起來非常昂貴。這些電池沒有標準尺寸格式——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品（如藍牙耳機、音樂播放器和玩具）和便攜式設備。還有用于其他應用的大型軟包電池，如 UPS、ESS 等。

未來趨勢
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，趨勢正在轉向棱柱形和軟包電池。未來的電動汽車可能會使用扁平設計的電池（棱柱形和軟包）。便攜式設備、小工具和消費設備中使用的電池也可能出現同樣的趨勢。軟包電池可以像食品包裝一樣制造，而矩形電池可以通過改進的自動化系統更容易地制造。制造商仍在尋找提高扁平電池設計的安全性和熱穩定性的方法，因為電池的未來依賴于空間利用、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。