《电池研究院》：电池百科简介

　　《电池研究院》是一个专门针对汽车动力电池技术展开讨论的科普类专栏，有读者们说阅读我的文章期间，有些电池技术基础知识不太了解，网上查的也不准。因此，笔者这次先从电池分类方式和命名方式入手，为大家简单描述一批电池领域的基础条目（以后还有很多批）。

　　划重点重点：本文今后会持续更新。

　　一次电池（不可充电）的分类

　　一次电池（Primary cells）和不可充电电池（non-rechargeable batteries）是同一个意思，平时我们接触最多的是碱性电池，其实还有数不清的角色，比如强大到续航数十年的原子能电池。

　　下面我们挑几种电池来聊聊。首选，我们平时用最多的是碱性电池，二氧化锰-锌配方，能量密度高，一节碱性能顶镍氢充三次，价格便宜，内阻低，不含汞，垃圾分类回收的时候扔“其他垃圾”就行了，不是有害垃圾。

　　此外，南孚“聚能环”就是一个绝缘塑料片，跟能量密度和能量一毛线关系都没有。

　　原子能电池始于1913，跟福特搞流水线模式同年，在20世纪五六十年代实用化，上太空很好使，阿波罗12号到17号都使用过，好奇号火星车也有装备。

　　原子能电池全名叫Radioisotope Thermoelectric Generator（TRG，放射性同位素热电发生器），利用放射性同位素在衰变过程中产生的热来发电。由于不是链式反应，所以不会炸，但放射性还是有的，所以钢铁侠身体不会太好。

　　没所谓了，外太空哪哪都是各类辐射，多一个没所谓。

　　青蛙电池虽然很残忍，但的确是电池领域的启蒙之作（之一），试验的主导者是大名鼎鼎的伽伐尼同志。这哥们的研究成果被人抄袭了之后愤而转向电的研究，最终发现人工电和生物电都是一回事，并认为“青蛙腿里面储藏了电”。

　　伽伐尼和伏打因为青蛙腿里面究竟有没电吵得不可开交，最终试验结果倾向于伽伐尼（其实每个细胞都相当于一个小电池），而不服气的伏打同志则发明了更加伟大的原电池——伏打电池。

　　汞电池是我们经常用得到的一次电池，一般都会制作成“纽扣电池”形式，很薄、很小、容量低、自放电率低、有毒。笔者最近收拾房间的时候还找到一台高考用时的卡西欧计算机，纽扣电池居然还有电，这都十几年了。

　　下面剖面图解读了纽扣电池的构造，黄色部分是锌或者铬正极，蓝色部分是氧化汞负极。

　　此外还有一个大项就是锂电池，在二次电池总也有这个分类，是21世纪最有前景的电池分类。

　　二次电池（可充电）的分类

　　在汽车领域，二次电池才是最重要的话题，毕竟没人想买一次性的汽车动力系统……

　　二次电池领域，全球研发机构进行过数十亿次试验，索尼锂离子电池推出市场之前，试过的配方就达一亿种。因此，二次电池是一个非常非常复杂的领域，技术路线绝不止下表描述的这些，但考虑到科普型文章的篇幅最好不好超过8000字，笔者决定下次再对细分的技术路线进行拆解。

　　2015年，铝离子电池领域突发一个新闻，斯坦福大学和湖南大学的几位教授在《自然》上发表了一篇创新性铝离子电池的研究报告，声称铝离子电池有潜力做到充电1小时（超充）、用电3-4天（高容量）。

　　很明显，这只是一个实验性质的雏形（虽然真的非常有吸引力，反应机理也很清晰可行），距离成品还有一个跟斗云的距离。5年过去了，没后续，暂时别想了。

　　液流电池是个有趣的东西，笔者与 @谢鹏 同事在6年前合著过一篇长文，讲的是一位出唱片的霸道总裁造液流电池纯电动车的事情：

　　其实，从技术实现的可能性来看，NANO Flowcell真的不算PPT造车/庞氏骗局，个人认为最大的问题是一个小公司根本不可能完成配套基建设施（液流电池换液站和物流l链）的建设，到顶了只能造一些Demo出来然后拉丰田大众通用这类巨头下水……

　　液流电池通过正负极电解液在液流电池模块的交互来发电，与氢燃料电池动力系统的原理差不多，只不过氢气氧气换成了电解液。

　　上世纪50年代以来，汽车用电设备开始增加，12V取代了6V，12V铅酸电池一直沿用至今，统治期超过60年。

　　铅酸电池的结构很简单，就是铅负极和二氧化铅正极之间隔着稀释之后的硫酸，单体容量有60Ah左右，也即是0.72kWh的能量，装上5V降压线之后可以给行车记录仪做十几天的驻车记录。

　　玻璃电池是固态电池中的一种，固态电池是锂电池中的一种。2017年，约翰·班尼斯特·古迪纳夫（John Bannister Goodenough），锂电池领域最大的大神推出了一款固态电池，使用玻璃电解质和碱金属阳极（由锂、钠或钾组成）。古迪纳夫博士早在1976年开始了固体化学的研究。

　　锂离子电池（Lithium-ion battery）的名称是索尼在上世纪90年代为了方便推广起的，其实有点以偏概全，应该用发挥主要作用的正极/负极/电解液命名才对，比如叫磷酸铁锂电池就代表LiFePO4是最大功臣。

　　锂离子电池需要进一步细分成极多的技术路线，需要数篇万字长文，我们之后再另辟文章单聊。

　　关于大家用得比较多的镍氢电池，笔者之前写过一篇长文可供参考。目前镍氢电池有一条非常成熟的产业链，但98%以上的大型镍氢电池（动力电池）产能都被丰田松下合资公司垄断了。

　　小型镍氢电池（5号）是我们平时最常用的，遥控器、夜灯、四驱车、录音笔，数不尽的用电器都在用5号规格的镍氢电池（5号有多大，下文会详细说），1000次以上的循环寿命也让它的经济性超过了一次电池。

　　固态电池的优势有很多比如能量密度高、可使用金属锂负极、安全性能更高、可薄膜柔性化、循环寿命长、可以做更大的单体电芯、自放电率很低等，缺点就是太贵了、电导率过低等。

　　更多详细信息可以点击下方链接查看我的科普长文：

　　电池尺寸分类规则

　　平时我们会遇到很多不同尺寸的电池型号，下面的表格和解释能帮助我们更好地读懂电池尺寸分类。

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　　圆柱电池（锂离子二次电池）

　　在汽车领域，圆柱型锂离子二次电池是最常见的角色，一开始是由特斯拉Model S在2012年带起来的风潮，居然可以用自研电控把7000多节18650圆柱电池驯服得如此乖巧。

　　锂离子二次电池完全充电（SOC 100%）的电压为4.2V，标称电压3.7V，完全放电（SOC 0%）的电压为3.0V。其中，磷酸铁锂电池只能提供3.2V标称电压。

　　这里用得比较多的是14500圆柱电池，比1.2V/1.5V电压平台的镍氢/碱性5号电池要高压很多，钴酸锂材质的标称电压是3.7V，磷酸铁锂是3.2V。

　　最出名的要数18650，因为当时已有成熟的产业链（就是笔记本电芯同款），所以特斯拉可以用很短时间把高性能电动汽车造出来。

　　这种工业化方案可以类比“根据定装子弹设计枪械”，或者“根据GAU-8复仇者七管机炮造A-10强击机”。

　　再后来，特斯拉采用了21700电池来减少电池包内的电芯总数，精简电控。在上一年底的特斯拉电池日上，马斯克宣布了巨型的46800无极耳电池，预计单体容量能往着20000mAh甚至更高的方向去。

　　未来，圆柱型锂离子二次电池依然会是动力电池领域的主心骨。

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　　圆柱电池（1.2V/1.5V等）

　　除了18650命名形式的分类方式，圆柱电池还有简称型号，就是我们平时见到的AA、AAA这种。

　　这是一种更通俗的分类方式，在1.2V/1.5V电压平台的圆柱电池中运用更加广泛。

　　在上述型号中，我们见得最多的是AAA（7号）电池和AA（5号）电池。

　　如果使用常规的5号镍氢电池组装一台48kWh的纯电动车，需要多少节呢？

　　假设单节为2000mAh/1.2V/27g，那么单节能量就是2.4Wh，需要20000节5号镍氢电池，不算任何模组结构件、电控、冷却系统的电芯全重为540kg。这也是为何镍氢电池不适宜做纯电动汽车的原因。

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　　方形电池

　　这里总结的方形电池不是目前动力电池包里面的大型方形锂离子电池（3.7V电压），而是利用1.2V/1.5V电压电池组件的方形电池模组。这是当前市面上的成熟体系，大家都用过。

　　看完表格还没明白笔者在说什么的，可以看下图，这就是用6个1.5V圆柱电池组件起来的9V方向电池。

　　除了纵置形式，我们还能找到横置形式。

　　大家可能会疑惑，为什么表格里面有些电池的容量上万mAh，有些才几百mAh。

　　实际上，成组之后只有2000mAh以下的方形电池，基本上都是1.2V/1.5V单体电池直接串联起来的，4.5V碱性电池是个高容量的特例，毕竟碱性电池（一次）的单体容量非常高。

　　而那些动辄10000mAh以上容量的方形电池，就是串并联都有的方案，串联升压，并联增容，最终用AA（5号）电池组建成上图这种容量为52000mAh的6V大型方形电池模组。

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　　纽扣电池

　　纽扣电池是我们日常最常见的电池类型之一，用得最多的是3V电压的CR系列锂锰电池（锂-二氧化锰）和1.5V电压的LR/SR系列碱性锰锌电池，此外还有LIR、ML、VL系列的可充电锂电池。

　　以下型号按照国际电工委员会（IEC，International Electrotechnical Commission）的标准撰写：

　　关于纽扣电池，我们只说两个最常用的型号就行，一种是CR2025，一种是CR2032，直径相同，厚度不同，有时候我找不到CR2032的时候就会拿CR2025再垫1mm的东西，电压一样的，容量稍微小一点而已。

　　此外，纽扣电池还有很多碱性电池型号，笔者就不在表格中一一写出来了。

　　电池命名规则

　　目前国际上有两大电池规范组织，一个是国际电工委员会（IEC，International Electrotechnical Commission）的标准，一个是美国国家标准协会（ANSI，American National Standards Institute），本文只讨论IEC标准。

　　IEC于1906年在法国创立，负责制定各种电气产品的标准。IEC有很多分支机构，其中1933年建立的TC21部门负责二次电池标准，1948年建立的TC35部门负责一次电池标准。

　　当前的电池命名规则（电池命名系统）是1992年启用的。

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　　电化学系统命名

　　第一个字母标识控制电池性能的主要成分，也相当于标注好了标称电压。

　　其中，M与N目前已撤销，因电池含汞不环保。

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　　电池外尺寸命名

　　形状命名法则就简单多了。

　　比如LR44纽扣电池，我们可以知晓L代表碱性配方，R代表圆柱构型，只不过特别扁就成了纽扣电池。

　　下面还有一部分沿用很久的电池特定命名，比如R6电池其实就是AA（5号）电池，14.5mm直径，50.5mm高度。

　　此外，圆柱形电池的直径和高度不一定是整数，命名时不能用四舍五入的法则，而是依据下表的最大尺寸来规范命名：

　　根据尺寸标定的命名还有一些不常用的细节，此节以后搜集到更加详尽的资料再更新。

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　　一个疑问：石墨烯电池存在吗？

　　实际上“石墨烯电池”这个概念本身就是不正确的。

　　电池会以促成它性能的最主要材料来命名，比如下表中的电池命名及其金属含量，就是一一对应的：

　　此外，因为目前正极材质是电池性能主要决定元素，所以多数电池都以正极来命名，而石墨烯电池的反应机理基本就是PPT状态，整天吹充电8分钟能跑1000km、成本降低80%的那些新闻，一笑而过就行。

　　结语

　　这篇文章的表格信息会持续更新，而关于一些主流技术路线的细分路线详细陈述，笔者会另辟长文进行陈述。

　　（文：太平洋汽车网 黄恒乐）