電池研究院：電池分類與命名大全

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】《電池研究院》是一個(gè)專門針對(duì)汽車動(dòng)力電池技術(shù)展開討論的科普類專欄，有讀者們說(shuō)閱讀我的文章期間，有些電池技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)不太了解，網(wǎng)上查的也不準(zhǔn)。因此，筆者這次先從電池分類方式和命名方式入手，為大家簡(jiǎn)單描述一批電池領(lǐng)域的基礎(chǔ)條目（以后還有很多批）。

　　劃重點(diǎn)重點(diǎn)：本文今后會(huì)持續(xù)更新。

　　一次電池（Primary cells）和不可充電電池（non-rechargeable batteries）是同一個(gè)意思，平時(shí)我們接觸最多的是堿性電池，其實(shí)還有數(shù)不清的角色，比如強(qiáng)大到續(xù)航數(shù)十年的原子能電池。

　　下面我們挑幾種電池來(lái)聊聊。首選，我們平時(shí)用最多的是堿性電池，二氧化錳-鋅配方，能量密度高，一節(jié)堿性能頂鎳氫充三次，價(jià)格便宜，內(nèi)阻低，不含汞，垃圾分類回收的時(shí)候扔“其他垃圾”就行了，不是有害垃圾。

　　此外，南孚“聚能環(huán)”就是一個(gè)絕緣塑料片，跟能量密度和能量一毛線關(guān)系都沒有。

　　原子能電池始于1913，跟福特搞流水線模式同年，在20世紀(jì)五六十年代實(shí)用化，上太空很好使，阿波羅12號(hào)到17號(hào)都使用過(guò)，好奇號(hào)火星車也有裝備。

　　原子能電池全名叫Radioisotope Thermoelectric Generator（TRG，放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器），利用放射性同位素在衰變過(guò)程中產(chǎn)生的熱來(lái)發(fā)電。由于不是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，所以不會(huì)炸，但放射性還是有的，所以鋼鐵俠身體不會(huì)太好。

　　沒所謂了，外太空哪哪都是各類輻射，多一個(gè)沒所謂。

　　青蛙電池雖然很殘忍，但的確是電池領(lǐng)域的啟蒙之作（之一），試驗(yàn)的主導(dǎo)者是大名鼎鼎的伽伐尼同志。這哥們的研究成果被人抄襲了之后憤而轉(zhuǎn)向電的研究，最終發(fā)現(xiàn)人工電和生物電都是一回事，并認(rèn)為“青蛙腿里面儲(chǔ)藏了電”。

　　伽伐尼和伏打因?yàn)榍嗤芡壤锩婢烤褂袥]電吵得不可開交，最終試驗(yàn)結(jié)果傾向于伽伐尼（其實(shí)每個(gè)細(xì)胞都相當(dāng)于一個(gè)小電池），而不服氣的伏打同志則發(fā)明了更加偉大的原電池——伏打電池。

　　汞電池是我們經(jīng)常用得到的一次電池，一般都會(huì)制作成“紐扣電池”形式，很薄、很小、容量低、自放電率低、有毒。筆者最近收拾房間的時(shí)候還找到一臺(tái)高考用時(shí)的卡西歐計(jì)算機(jī)，紐扣電池居然還有電，這都十幾年了。

　　下面剖面圖解讀了紐扣電池的構(gòu)造，黃色部分是鋅或者鉻正極，藍(lán)色部分是氧化汞負(fù)極。

　　此外還有一個(gè)大項(xiàng)就是鋰電池，在二次電池總也有這個(gè)分類，是21世紀(jì)最有前景的電池分類。

　　在汽車領(lǐng)域，二次電池才是最重要的話題，畢竟沒人想買一次性的汽車動(dòng)力系統(tǒng)……

　　二次電池領(lǐng)域，全球研發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)數(shù)十億次試驗(yàn)，索尼鋰離子電池推出市場(chǎng)之前，試過(guò)的配方就達(dá)一億種。因此，二次電池是一個(gè)非常非常復(fù)雜的領(lǐng)域，技術(shù)路線絕不止下表描述的這些，但考慮到科普型文章的篇幅最好不好超過(guò)8000字，筆者決定下次再對(duì)細(xì)分的技術(shù)路線進(jìn)行拆解。

　　2015年，鋁離子電池領(lǐng)域突發(fā)一個(gè)新聞，斯坦福大學(xué)和湖南大學(xué)的幾位教授在《自然》上發(fā)表了一篇?jiǎng)?chuàng)新性鋁離子電池的研究報(bào)告，聲稱鋁離子電池有潛力做到充電1小時(shí)（超充）、用電3-4天（高容量）。

　　很明顯，這只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的雛形（雖然真的非常有吸引力，反應(yīng)機(jī)理也很清晰可行），距離成品還有一個(gè)跟斗云的距離。5年過(guò)去了，沒后續(xù)，暫時(shí)別想了。

　　液流電池是個(gè)有趣的東西，筆者與 @謝鵬 同事在6年前合著過(guò)一篇長(zhǎng)文，講的是一位出唱片的霸道總裁造液流電池純電動(dòng)車的事情：

　　其實(shí)，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能性來(lái)看，NANO Flowcell真的不算PPT造車/龐氏騙局，個(gè)人認(rèn)為最大的問(wèn)題是一個(gè)小公司根本不可能完成配套基建設(shè)施（液流電池?fù)Q液站和物流l鏈）的建設(shè)，到頂了只能造一些Demo出來(lái)然后拉豐田大眾通用這類巨頭下水……

　　液流電池通過(guò)正負(fù)極電解液在液流電池模塊的交互來(lái)發(fā)電，與氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的原理差不多，只不過(guò)氫氣氧氣換成了電解液。

　　上世紀(jì)50年代以來(lái)，汽車用電設(shè)備開始增加，12V取代了6V，12V鉛酸電池一直沿用至今，統(tǒng)治期超過(guò)60年。

　　鉛酸電池的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，就是鉛負(fù)極和二氧化鉛正極之間隔著稀釋之后的硫酸，單體容量有60Ah左右，也即是0.72kWh的能量，裝上5V降壓線之后可以給行車記錄儀做十幾天的駐車記錄。

　　玻璃電池是固態(tài)電池中的一種，固態(tài)電池是鋰電池中的一種。2017年，約翰·班尼斯特·古迪納夫（John Bannister Goodenough），鋰電池領(lǐng)域最大的大神推出了一款固態(tài)電池，使用玻璃電解質(zhì)和堿金屬陽(yáng)極（由鋰、鈉或鉀組成）。古迪納夫博士早在1976年開始了固體化學(xué)的研究。

　　鋰離子電池（Lithium-ion battery）的名稱是索尼在上世紀(jì)90年代為了方便推廣起的，其實(shí)有點(diǎn)以偏概全，應(yīng)該用發(fā)揮主要作用的正極/負(fù)極/電解液命名才對(duì)，比如叫磷酸鐵鋰電池就代表LiFePO₄是最大功臣。

　　鋰離子電池需要進(jìn)一步細(xì)分成極多的技術(shù)路線，需要數(shù)篇萬(wàn)字長(zhǎng)文，我們之后再另辟文章單聊。

　　關(guān)于大家用得比較多的鎳氫電池，筆者之前寫過(guò)一篇長(zhǎng)文可供參考。目前鎳氫電池有一條非常成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，但98%以上的大型鎳氫電池（動(dòng)力電池）產(chǎn)能都被豐田松下合資公司壟斷了。

　　小型鎳氫電池（5號(hào)）是我們平時(shí)最常用的，遙控器、夜燈、四驅(qū)車、錄音筆，數(shù)不盡的用電器都在用5號(hào)規(guī)格的鎳氫電池（5號(hào)有多大，下文會(huì)詳細(xì)說(shuō)），1000次以上的循環(huán)壽命也讓它的經(jīng)濟(jì)性超過(guò)了一次電池。

　　固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)有很多比如能量密度高、可使用金屬鋰負(fù)極、安全性能更高、可薄膜柔性化、循環(huán)壽命長(zhǎng)、可以做更大的單體電芯、自放電率很低等，缺點(diǎn)就是太貴了、電導(dǎo)率過(guò)低等。

　　更多詳細(xì)信息可以點(diǎn)擊下方鏈接查看我的科普長(zhǎng)文：

　　平時(shí)我們會(huì)遇到很多不同尺寸的電池型號(hào)，下面的表格和解釋能幫助我們更好地讀懂電池尺寸分類。

　　在汽車領(lǐng)域，圓柱型鋰離子二次電池是最常見的角色，一開始是由特斯拉Model S在2012年帶起來(lái)的風(fēng)潮，居然可以用自研電控把7000多節(jié)18650圓柱電池馴服得如此乖巧。

　　鋰離子二次電池完全充電（SOC 100%）的電壓為4.2V，標(biāo)稱電壓3.7V，完全放電（SOC 0%）的電壓為3.0V。其中，磷酸鐵鋰電池只能提供3.2V標(biāo)稱電壓。

　　這里用得比較多的是14500圓柱電池，比1.2V/1.5V電壓平臺(tái)的鎳氫/堿性5號(hào)電池要高壓很多，鈷酸鋰材質(zhì)的標(biāo)稱電壓是3.7V，磷酸鐵鋰是3.2V。

　　最出名的要數(shù)18650，因?yàn)楫?dāng)時(shí)已有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈（就是筆記本電芯同款），所以特斯拉可以用很短時(shí)間把高性能電動(dòng)汽車造出來(lái)。

　　這種工業(yè)化方案可以類比“根據(jù)定裝子彈設(shè)計(jì)槍械”，或者“根據(jù)GAU-8復(fù)仇者七管機(jī)炮造A-10強(qiáng)擊機(jī)”。

　　再后來(lái)，特斯拉采用了21700電池來(lái)減少電池包內(nèi)的電芯總數(shù)，精簡(jiǎn)電控。在上一年底的特斯拉電池日上，馬斯克宣布了巨型的46800無(wú)極耳電池，預(yù)計(jì)單體容量能往著20000mAh甚至更高的方向去。

　　未來(lái)，圓柱型鋰離子二次電池依然會(huì)是動(dòng)力電池領(lǐng)域的主心骨。

　　除了18650命名形式的分類方式，圓柱電池還有簡(jiǎn)稱型號(hào)，就是我們平時(shí)見到的AA、AAA這種。

　　這是一種更通俗的分類方式，在1.2V/1.5V電壓平臺(tái)的圓柱電池中運(yùn)用更加廣泛。

　　在上述型號(hào)中，我們見得最多的是AAA（7號(hào)）電池和AA（5號(hào)）電池。

　　如果使用常規(guī)的5號(hào)鎳氫電池組裝一臺(tái)48kWh的純電動(dòng)車，需要多少節(jié)呢？

　　假設(shè)單節(jié)為2000mAh/1.2V/27g，那么單節(jié)能量就是2.4Wh，需要20000節(jié)5號(hào)鎳氫電池，不算任何模組結(jié)構(gòu)件、電控、冷卻系統(tǒng)的電芯全重為540kg。這也是為何鎳氫電池不適宜做純電動(dòng)汽車的原因。

　　這里總結(jié)的方形電池不是目前動(dòng)力電池包里面的大型方形鋰離子電池（3.7V電壓），而是利用1.2V/1.5V電壓電池組件的方形電池模組。這是當(dāng)前市面上的成熟體系，大家都用過(guò)。

　　看完表格還沒明白筆者在說(shuō)什么的，可以看下圖，這就是用6個(gè)1.5V圓柱電池組件起來(lái)的9V方向電池。

　　除了縱置形式，我們還能找到橫置形式。

　　大家可能會(huì)疑惑，為什么表格里面有些電池的容量上萬(wàn)mAh，有些才幾百mAh。

　　實(shí)際上，成組之后只有2000mAh以下的方形電池，基本上都是1.2V/1.5V單體電池直接串聯(lián)起來(lái)的，4.5V堿性電池是個(gè)高容量的特例，畢竟堿性電池（一次）的單體容量非常高。

　　而那些動(dòng)輒10000mAh以上容量的方形電池，就是串并聯(lián)都有的方案，串聯(lián)升壓，并聯(lián)增容，最終用AA（5號(hào)）電池組建成上圖這種容量為52000mAh的6V大型方形電池模組。

　　紐扣電池是我們?nèi)粘Ｗ畛Ｒ姷碾姵仡愋椭?，用得最多的?V電壓的CR系列鋰錳電池（鋰-二氧化錳）和1.5V電壓的LR/SR系列堿性錳鋅電池，此外還有LIR、ML、VL系列的可充電鋰電池。

　　以下型號(hào)按照國(guó)際電工委員會(huì)（IEC，International Electrotechnical Commission）的標(biāo)準(zhǔn)撰寫：

　　關(guān)于紐扣電池，我們只說(shuō)兩個(gè)最常用的型號(hào)就行，一種是CR2025，一種是CR2032，直徑相同，厚度不同，有時(shí)候我找不到CR2032的時(shí)候就會(huì)拿CR2025再墊1mm的東西，電壓一樣的，容量稍微小一點(diǎn)而已。

　　此外，紐扣電池還有很多堿性電池型號(hào)，筆者就不在表格中一一寫出來(lái)了。

　　目前國(guó)際上有兩大電池規(guī)范組織，一個(gè)是國(guó)際電工委員會(huì)（IEC，International Electrotechnical Commission）的標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI，American National Standards Institute），本文只討論IEC標(biāo)準(zhǔn)。

　　IEC于1906年在法國(guó)創(chuàng)立，負(fù)責(zé)制定各種電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。IEC有很多分支機(jī)構(gòu)，其中1933年建立的TC21部門負(fù)責(zé)二次電池標(biāo)準(zhǔn)，1948年建立的TC35部門負(fù)責(zé)一次電池標(biāo)準(zhǔn)。

　　當(dāng)前的電池命名規(guī)則（電池命名系統(tǒng)）是1992年啟用的。

　　第一個(gè)字母標(biāo)識(shí)控制電池性能的主要成分，也相當(dāng)于標(biāo)注好了標(biāo)稱電壓。

　　其中，M與N目前已撤銷，因電池含汞不環(huán)保。

　　形狀命名法則就簡(jiǎn)單多了。

　　比如LR44紐扣電池，我們可以知曉L代表堿性配方，R代表圓柱構(gòu)型，只不過(guò)特別扁就成了紐扣電池。

　　下面還有一部分沿用很久的電池特定命名，比如R6電池其實(shí)就是AA（5號(hào)）電池，14.5mm直徑，50.5mm高度。

　　此外，圓柱形電池的直徑和高度不一定是整數(shù)，命名時(shí)不能用四舍五入的法則，而是依據(jù)下表的最大尺寸來(lái)規(guī)范命名：

　　根據(jù)尺寸標(biāo)定的命名還有一些不常用的細(xì)節(jié)，此節(jié)以后搜集到更加詳盡的資料再更新。

　　實(shí)際上“石墨烯電池”這個(gè)概念本身就是不正確的。

　　電池會(huì)以促成它性能的最主要材料來(lái)命名，比如下表中的電池命名及其金屬含量，就是一一對(duì)應(yīng)的：

　　此外，因?yàn)槟壳罢龢O材質(zhì)是電池性能主要決定元素，所以多數(shù)電池都以正極來(lái)命名，而石墨烯電池的反應(yīng)機(jī)理基本就是PPT狀態(tài)，整天吹充電8分鐘能跑1000km、成本降低80%的那些新聞，一笑而過(guò)就行。

　　這篇文章的表格信息會(huì)持續(xù)更新，而關(guān)于一些主流技術(shù)路線的細(xì)分路線詳細(xì)陳述，筆者會(huì)另辟長(zhǎng)文進(jìn)行陳述。

（文：太平洋汽車網(wǎng) 黃恒樂(lè)）