減小電池尺寸和成本

作者 SOL JACOBS? ，Tadiran Batteries 副總裁兼總經理

涉及不必要的大而重的電池的折衷設計解決方案通常會導致頻繁更換電池，以及將重型電池運輸到偏遠、難以到達的位置相關的經常無法預料的費用。在小型化時代，這些缺點正變得越來越大。?

指定壽命/尺寸/成本等式

為了為電池供電的遠程無線設備指定理想的電源，需要考慮各種性能參數，包括：

低溫和高溫 —?極端溫度會降低脈沖下的電池電壓。如果電池的溫度范圍有限并且部署在惡劣的環(huán)境中，那么可能需要一個超大尺寸的電池來補償脈沖負載下的預期電壓降。另一種解決方案可能是選擇線軸型鋰亞硫酰氯 (LiSOCl 2 ) 電池，該電池具有非常高的能量密度，并且經過改進以在極端溫度下提供高脈沖，從而消除了對所有額外容量或電壓的需求。

工作電壓 —?簡單的數學計算表明，提供與 3.6V 電池相同的電壓需要兩倍多的 1.5V 電池。更少的單元意味著更小的尺寸、重量和成本。

功率與能量——?這個設計挑戰(zhàn)因應用而異。例如，某些無線設備很少通電，需要高脈沖來實現短脈沖，而不會消耗太多能量（容量）。一些典型的高脈沖/低能量應用包括運行幾分鐘的手術動力工具和保持空中飛行數秒的制導彈藥。例如，手術電鉆可以使用四節(jié) AA 尺寸的鋰金屬氧化物電池來代替 12 節(jié)堿性電池。在導彈應用中，一小包鋰金屬氧化物電池的性能可以勝過由銀鋅電池組成的更大、更昂貴的定制電池組。

大多數電池技術從未設計為產生高功率/能量比，因此需要大量電池來補償其低脈沖設計，從而導致電池容量過大。

自放電——?某些電池技術容易產生高自放電率，每月?lián)p失高達總容量的 8%，因此需要超大電池來補償預期的能量損失。更換年自放電率低得多的電池將允許電源更小，并且還可以消除在設備使用壽命內多次更換電池的需要。某些線軸型 LiSOCl 2 電池具有每年 0.7% 的極低自放電率，因此可以在 40 年后保持其原始容量的 70% 以上。相比之下，每年自放電率為 3% 的電池（乍一看似乎只是逐漸升高），僅 10 年就會耗盡其原始容量的 30%。

循環(huán)壽命?— 大多數消費級可充電鋰離子 (Li-ion) 電池的循環(huán)壽命有限，約為 5 年，可完全充電 500 次。如果設備需要在不更換電池的情況下運行超過 500 次充電循環(huán)，則需要額外的電池以減少每個電池的平均放電深度。?

為了應對這一挑戰(zhàn)，最近開發(fā)了一種工業(yè)級可充電鋰離子電池，可將電池循環(huán)壽命延長至 20 年和 5,000 次充電循環(huán)。這種工業(yè)級可充電鋰離子電池還能夠提供高脈沖，并具有 -40°C 至 +85°C 的擴展溫度范圍。?

高脈沖要求——遠程無線設備越來越需要高脈沖來為先進的雙向通信和遠程關閉功能供電。堿性電池因其高倍率設計而非常適合提供高脈沖。然而，這些消費級電池也有嚴重的局限性，包括低電壓 (1.5 V)、有限的溫度范圍 (0°C 至 +60°C)、高自放電率，可將預期壽命縮短至一到兩年，以及可能泄漏的卷邊密封。堿性電池可能還需要每隔幾個月更換一次，這會增加總擁有成本，尤其是對于部署在偏遠、難以接近的位置的無線設備。

標準線軸型 LiSOCl 2 電池并非設計用于處理高脈沖，因為它們在首次承受此類脈沖負載時可能會經歷暫時的電壓下降：這種現象稱為瞬態(tài)最小電壓 (TMV)。然而，可以通過使用獲得專利的混合層電容器 (HLC) 以經濟高效的方式對標準線軸型 LiSOCl 2 電池進行修改以提供高脈沖。?

電池和 HLC 并聯(lián)工作，電池在 3.6 至 3.9V 標稱范圍內提供長期低電流電源，而單單元 HLC 存儲并提供高脈沖。這種混合電池還具有獨特的壽命終止性能曲線，可以對設備進行編程以提供“低電量”狀態(tài)警報。

另一種最小化 TMV 的方法是使用超級電容器與鋰電池串聯(lián)。然而，超級電容器具有主要缺點，包括體積大、自放電率高（每年高達 60%）和溫度范圍有限。涉及使用多個超級電容器的解決方案還需要平衡電路，這會消耗額外的電流并增加成本。

較低的初始成本可能具有高度誤導性?——電池的總擁有成本并不總是準確地反映在其初始成本中。如果該設備用于長期部署，那么與更頻繁更換電池相關的額外勞動力和運輸費用可能會加起來，其成本遠遠超過電池本身。

在難以訪問的應用程序和極端環(huán)境中，涉及增加尺寸和重量的折衷解決方案也可能存在很大問題。例如，緊湊、輕便的電源非常適合在寒冷的北極條件下工作的科學家，他們可以執(zhí)行任務的重量和體積有限。更輕且體積更小的電池也有利于那些整天在電線桿上上下搬運設備的公用事業(yè)線路人員。此外，由于聯(lián)合國和國際航空運輸協(xié)會的運輸法規(guī)更加嚴格，運輸鋰電池的成本越來越高。

審核編輯 黃昊宇