检查一次电池和二次电池的负载特性

可充电电池正在获得媒体的高度关注，以至于一些人认为不可充电电池是过时的技术。初级电池仍然发挥着重要作用，尤其是当充电不切实际或不可能时，例如在军事战斗、救援任务和森林消防服务中。初级器件的其他应用包括心脏病患者的心脏起搏器、汽车和卡车的胎压计、鸟类追踪发射器、采矿中的智能钻头、海洋中的灯塔，还有我们的手表、遥控器、电子钥匙和儿童玩具。高比能量、长存储时间和即时准备使原电池比其他电源具有独特的优势。原电池通常价格低廉、容易获得且对环境无害。

碳锌电池，也称为Leclanché 电池，是最便宜的原电池之一，当包含电池时，通常随消费设备一起提供。碱锰，被称为碱性，是旧碳锌的改进版本。Lewis Urry 于 1949 年在俄亥俄州帕尔马的 Everready Battery Company 实验室工作时发明了它。与碳锌相比，碱性电池在更高的负载电流下提供更多的能量，并且在耗尽时不会泄漏，尽管它不是完全防漏的。放电的碱性物质会产生氢氧化物气体。压力增加会使密封破裂并导致腐蚀，形成羽毛状晶体结构，腐蚀会扩散到邻近部件并造成损坏。所有原电池在放电时都会产生气体，便携式设备必须有通风装置。

二硫化铁锂 (Li-FeS2) 是原电池系列的新成员，可提供更高的性能。锂电池通常提供 3 伏或更高的电压，但 Li-FeS2 产生 1.5 伏的电压以与 AA 和 AAA 格式兼容。它比碱性电池具有更高的容量和更低的内阻。这可实现中等至重负载，是数码相机的理想选择。其他优势包括改进的低温性能、出色的防漏电性和低自放电，允许在环境温度下储存 15 年。重量轻和毒性最小是额外的好处。

由于阳极中的锂金属含量，Li-FeS2 的缺点是价格较高和运输问题。这导致空运受到限制。2004 年，美国交通部和美国联邦航空管理局 (FAA) 禁止在客运航班上散装运输原锂电池，但航空公司的乘客仍然可以将其带上飞机或放在托运行李中。每个 AA 尺寸的 Li-FeS2 含有 0.98 克锂；一次锂电池的空气限制为 2 克（可充电锂离子电池为 8 克）。这将每位乘客限制为两个电池，但可以携带 12 个样品电池的例外情况。阅读有关如何运输电池的更多信息。

Li-FeS2 包括可复位 PTC 热敏开关形式的安全装置，可在高温下限制电流。Li-FeS2 电池不能像 AA 和 AAA 形式的 NiMH 电池那样充电。充电、将电池倒置或与用过的或其他类型的电池混合都可能导致泄漏或爆炸。阅读有关锂离子电池安全问题的更多信息。

图 1 和图 2 比较了碱性电池和 Li-FeS2 在 50mA 脉冲负载下的放电电压和内阻。有趣的是锂的平坦电压曲线和低内阻；碱性显示出逐渐的电压下降和电阻的永久增加。这会缩短运行时间，尤其是在负载升高的情况下。

图 1：碱性放电时的电压和内阻。电压迅速下降导致内阻升高	图 2：锂电池放电时的电压和内阻。电压曲线平坦，内阻低 由 Energizer 提供

AA 和 AAA 是最常见的单元格格式。AA 被称为袖珍灯的笔形电池，于 1915 年向公众开放，并在第一次世界大战期间被用作间谍工具；美国国家标准协会于 1947 年对该格式进行了标准化。 AAA 于 1954 年开发，旨在减小柯达和宝丽来相机的尺寸并缩小其他便携式设备的尺寸。在 1990 年代，9V 电池的一个分支产生了用于激光笔、LED 笔灯、电脑手写笔和耳机放大器的 AAAA 级电池。表 3 比较了碳锌电池、碱性电池、锂电池、镍镉电池、镍氢电池和镍锌电池以及 AA 和 AAA 电池的尺寸。

	碳锌	碱性	锂 (Li-FeS2)	镍镉	镍氢
容量* AA AAA	400-1,700 ~300	1,800-2,600 800-1,200	2,500-3,400 1,200	600-1,000 300-500	800-2,700 600-1,250
标称电压	1.50	1.50	1.50	1.20	1.20
放电率	非常低	低的	中等的	很高	很高
可充电的	不	不	不	是的	是的
保质期	1-2年	7年	10-15岁	3-5年	3-5年
防漏电	较差的	好的	优越的	好的	好的
零售 ** AA AAA	大多数商店不可用	0.40-2.80 美元 1.50-2.80 美元	3.00-5.00 美元 4.00-5.00 美元	大多数商店不可用	4.00-5.00 美元 4.00-5.00 美元

表 3：可用 AA 和 AAA 格式的电池摘要。AA上的容量是同等价格下AAA的两倍，使得AAA上的储能是AA的两倍。

* 以毫安时计；放电电流小于500mA；** 估计价格（2012 年）

AAA 电池的容量大约是较大 AA 电池的一半，价格相似。从本质上讲，AAA 的能源成本是 AA 的两倍。为了缩小尺寸，能源成本通常需要考虑第二阶段，设备制造商更喜欢使用较小的 AAA 而不是较大的 AA。自行车灯就是这种情况，AA 格式只会略微增加设备，但以相同的电池费用提供两倍的能量。适当的设计考虑有助于保护环境。

碱性 AA 的零售价格各不相同，性能也不尽相同。美国工程公司Exponent检查了 8 块 AA 包装的名牌碱性电池的容量，发现性能最好的电池和性能最低的电池之间存在 800% 的差异。测试电池的一个简单方法是计算数码相机可以用一组电池拍摄的照片。与遥控器或厨房时钟相比，数码相机的高电流对电池的压力更大。当普通的碱性电池在数码相机中停止工作时，剩余的能量仍然可以为遥控器供电并使厨房时钟运行长达两年。

图 4 显示了数码相机在 AA 封装的碱性电池、镍氢电池和锂 Li-FeS2 上以 1.3 瓦的放电脉冲可以拍摄的照片数量。（两个电池在 3V 电压下串联，1.3W 消耗 433mA。）尽管测试的三种电池化学成分具有相似的容量，但结果差异很大。明显的赢家是具有 690 个脉冲的 Li-FeS2；第二个是 520 脉冲的镍氢电池，第三个是标准碱性电池，仅产生 85 个脉冲。内部阻力而不是容量决定了击球次数​​。

图 4：使用碱性镍氢电池和锂电池的数码相机可拍摄的照片数量

Li-FeS2、NiMH 和 Alkaline 具有相似的容量；内阻决定数码相机的拍摄次数。

Li-FeS2，3Ah，690 次脉冲
NiMH，2.5Ah，520 次脉冲
碱性电池，3Ah，85 次脉冲

测试：ANSI C18.1

由 Exponent 提供

额定容量作为性能指标在低放电电流下最有用；在更高的负载下，功率因数开始发挥重要作用。容量和输送电流的能力之间的关系最好用Ragone 图来说明。Ragone 图以 David V. Ragone 的名字命名，用于评估储能设备的能量和功率。Ah 中的能量表示电池的可用存储容量，并负责运行时间；以瓦特为单位的功率决定负载电流。这两个属性对于需要长时间运行但还必须适应电流脉冲的数字应用很重要。Ragone 图表可以根据功率需求上下移动。

图 5 显示了使用锂 (Li-FeS2)、镍氢电池和碱性电池的数码相机在 1.3W 负载下的 Ragone 图。水平轴以瓦特/小时为单位显示能量，垂直轴以瓦特为单位提供功率。刻度是对数的，可以选择多种电池尺寸。

图 5：Ragone 图表说明了各种负载条件下的电池性能。

根据 ANSI C18.1（虚线），数码相机使用 1.3W 脉冲加载 NiMH、Li-FeS2 和碱性电池。结果是：

- Li- FeS2 690
脉冲 - NiMH 520 脉冲
- 碱性 85 脉冲

能量 = 容量 x V
功率 = 电流 x V

由 Exponent 提供

电池化学性能因 Ragone 线的位置而异。NiMH 提供最高的功率，但具有最低的比能量，并且在电动工具等高负载下工作良好。Lithium Li-FeS2 具有最高的比能量，满足中等负载条件，如数码相机、医疗仪器和类似的便携式设备。碱性电池为手电筒、遥控器和挂钟等低电流消耗提供了一种经济的解决方案。