电子产品用电池化学
当你去超市买电池时，你可能会看两个方面:充电电池和非充电电池。虽然这对你的电子设备显然很重要，但潜在的化学反应决定了设备的整体功率处理能力和寿命。需要选择化学物质来提供设备所需的能量和寿命，这比选择充电电池和非充电电池要复杂一些。
在这篇文章中，我们将看看各种电池化学成分之间的一些权衡，以及这些系统中可用的预期电压、功率和放电处理能力。对于消费电子行业的小型设备来说，它可以像选择充电电池和非充电电池化学物质一样简单。但对于储能或电动汽车这样的东西，电池化学成分和材料的选择对性能和安全性至关重要。
电池化学与性能
如果你在大学里上过化学课，或者看过电池化学的视频，那么你可能对电池的工作原理有所了解。一般来说，电池的正极和正极两端都能发生电化学反应，产生的电荷可以在电池两端之间转移。下面是电荷转移的一个简单的概念例子。
金属和分离材料促进电化学反应中的电荷转移，产生阳极和阴极之间的电压。
在电池操作中，需要将电池化学和系统设计的某些性能能力与特定系统的需求相匹配。例如，针对消费者的小型移动设备已经出现了市场对延长使用寿命的需求趋势。相比之下，在电动汽车中，当需要大功率输出时，放电速率可以优先考虑。
此外，较高的放电速率会导致系统明显升温，因此电池系统的建设需要能够承受产生的热量而不起火。这听起来可能有点极端，但在2021年，美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)对与电动汽车电池过热有关的汽车火灾展开了调查。化学和系统结构需要匹配，以确保性能和安全性。
电池化学反应
下表概述了在一次电池和二次电池中使用的常见化学物质。这些电池化学物质已经商业化，可以广泛购买。
主细胞
碱性 |
生活2 |
LiMnO2 |
Ag)2O |
|
电压 |
~ 1.5 V |
高达1.8 V |
高达3.3 V |
~ 1.5 V |
放电 |
低 |
非常高的 |
非常低的 |
非常低的 |
泄漏 |
非常低的 |
低 |
温和的 |
低 |
电荷密度 |
不同 |
高 |
高 |
温和的 |
成本 |
低 |
最高 |
温和的 |
高 |
二次电池
Pb-Acid |
镍锰 |
锂离子 |
李白 |
|
电压 |
2.1 V |
1.2 V |
3.7 V |
3.7 V |
放电 |
非常高的 |
非常高的 |
非常高的 |
超高 |
泄漏 |
高 |
非常高的 |
低 |
低 |
电荷密度 |
低 |
温和的 |
高 |
高 |
成本 |
低 |
温和的 |
温和的 |
高 |
选择一种化学试剂需要平衡成本、电荷密度、放电速率和成本。电压有时不那么重要，因为电池单元可以堆叠，电压可以调节到所需的值。基于这些因素，很容易理解为什么锂离子电池和锂聚合物电池在需要充电设备时占据主导地位。
特别是当终端设备需要充电时，锂离子电池由于漏电率低，充电密度高，是相对于镍氢电池的最佳选择。当需要非常高的放电时，LiPo可以说是充电设备的最佳选择，尽管代价是更高的成本。
最后，我们应该注意铅酸电池的使用。尽管人们可能会认为这些电池在RoHS运动之后就被放弃使用了，这些电池约占可再生能源存储电池的70%，现在仍然有这种电池每年的销量超过1亿台．考虑到他们的高放电率和低成本，他们是一个可接受的电池系统的某些应用。
嵌入式设备的功耗降低
现代电子产品中特征密度的增加将电池的尺寸和容量推到了极限。在今天的智能手机中，最大的部件是屏幕、外壳和电池。为了减缓不断增加电池尺寸的需求，在系统设计中有一些方法可以考虑降低功耗。这些包括:
超出标准化学方法
有大量的研究旨在提供更高的放电率，更高的容量，更长的寿命和更大的安全性的替代电池材料。还有一个环境方面的问题，因为一些研究的重点是寻找可回收或生物降解的电化学材料用于电池。这些电池材料还远未商业化，因为在安全性验证、规模化生产过程以及获得监管机构的大规模生产和销售批准方面都存在挑战。
用于充电电池的主要替代材料之一是碳结构。各种碳同素异形体正在被研究用于二次电池的初级电化学材料，作为高导电性电极材料，或作为二次电池的分离器。虽然全碳电池还很遥远，可能永远不会商业化，但在二次电池中使用独特的碳材料作为电极的研究工作仍有很多。
一旦你准备为你的系统选择一种电池化学物质，确保你使用的是完整的系统分析工具从节奏构建和评估系统的物理设计。只有Cadence提供了一套全面的电路、IC和PCB设计工具，适用于任何应用程序和任何复杂程度。
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