基础电子学系列28 – 电池的几何形状和标准尺寸

在之前的教程中，我们讨论了不同类型的电池。除了可重复使用性和电池化学性质之外，电池的包装方式也是一个重要因素，因为它应该可以容纳在设备中而不影响安全规范。电池的几何形状和尺寸在其电路应用中也起着至关重要的作用。

电池自 1700 年代就开始使用，现在有各种形状和尺寸可供选择。最早的电池形状是罐子设计。1896年推出大型F型电池，1898年推出D型电池。C型电池是1900年最先推出的小型电池，随后是1907年推出的仍然流行的AA电池。目前电池主要有以下几种形状：

• 圆柱形电池

• 纽扣电池

• 棱柱形电池

• 软包电池

电池尺寸的标准化始于圆柱形电池的引入。1906 年，成立了一个非政府标准组织——国际电化学委员会 (IEC)，以制定电池标准。1917 年，美国国家标准技术研究院 (NIST) 引入了标准电池尺寸的字母命名法，该命名法沿用至今。

电池尺寸
电池有以下尺寸可供选择：

圆柱形电池
圆柱形电池是最流行的原电池和二次电池电池组，也是最容易制造的电池组之一。这些电池具有压力释放机制，使它们能够承受高内部压力而不变形。其他好处包括高机械稳定性、低成本、长寿命和出色的循环能力。这些电池不会改变它们的形状或大小，因此在电池之间有足够的间距的情况下可以轻松地进行热管理。这些坚固的电池的唯一缺点是它们的重量和由于空腔导致的低封装密度。

圆柱形电池示例。

圆柱形电池非常可靠，通常带有 PTC 开关，当负载消耗过大电流时该开关会停止传导电流，从而提供短路保护。一旦冷却，开关就会返回导通状态。为了机械安全，这些电池使用膜密封或可重新密封的通风口。一些锂离子圆柱形电池使用充电中断装置，在暴露于不安全的机械压力时断开电池。

圆柱形电池通常用于镍镉和镍氢电池。它们有 AA、AAA、AAAA 等流行尺寸，也有 1/2 和 ¾ 等部分尺寸。18650 尺寸的可充电锂离子电池也有圆柱形电池。18650圆柱形锂离子电池已广泛用于笔记本电池和电动汽车，但随着新型电动汽车将依赖扁平电池设计，其需求正在减弱。尽管如此，21700、20700 和 22700 尺寸的锂离子圆柱形电池仍将满足各种消费电子应用的需求。

纽扣电池
纽扣电池或纽扣电池用作用于紧凑型便携式设备的小型原电池。这些低成本电池可用于主板、手表、便携式医疗设备和无绳电话。它们的主要优点是尺寸紧凑，可以轻松堆叠在管中以实现更高的电压。它们的主要缺点是缺乏安全通风口和充电时间长。这些电池主要用于紧凑型设备或作为电路某些部分的备用电源。纽扣电池还用于维持主板中的时钟。

纽扣电池示例。

棱柱形电池
棱柱形电池采用扁平矩形设计，可最大程度地利用空间。这些电池没有标准尺寸格式，它们的尺寸因制造商而异。它们通常用于手机、智能手机、笔记本电脑和便携式电子产品，现在是电动汽车的首选。这些电池的主要缺点是热管理差、寿命短和成本高。它们容易因气体积聚而膨胀，并且可能会在很长一段时间内膨胀，从而带来安全隐患。由于膨胀和变形，它们还可能损坏它们所在的设备。

棱柱形或矩形电池示例

软包电池
软包电池是最灵活、最轻便的电池。这些电池带有电极的密封箔片，具有柔软的袋状外壳，旨在容纳电池中的任何膨胀。通常，小型软包电池在几百次充放电循环后可能会膨胀，而大型软包电池可能会在几千次循环后膨胀。这种电池设计是最轻便的，可以最大限度地利用空间。尽管这些电池专为轻负载而设计，但它们可以承受高负载电流，并且可以并排堆叠以获得更高的电压。

棱柱形或矩形电池示例

制造软包电池时，它们会配备一个临时气囊。第一次充电时产生的气体会逸出到气囊中，气囊随后会被移除。然后将小袋密封并准备供应。在随后的充电周期中，会产生最少量的气体，这些气体可能仅在数百或数千次循环后才会累积。

这些电池具有更高的能量密度；然而，这些制造起来非常昂贵。这些电池没有标准尺寸格式——它们有多种尺寸，尺寸可能因制造商而异。软包电池通常用于可穿戴电子产品（如蓝牙耳机、音乐播放器和玩具）和便携式设备。还有用于其他应用的大型软包电池，如 UPS、ESS 等。

未来趋势
目前，圆柱形电池和纽扣电池是最流行的电池组。然而，随着制造成本逐渐降低，趋势正在转向棱柱形和软包电池。未来的电动汽车可能会使用扁平设计的电池（棱柱形和软包）。便携式设备、小工具和消费设备中使用的电池也可能出现同样的趋势。软包电池可以像食品包装一样制造，而矩形电池可以通过改进的自动化系统更容易地制造。制造商仍在寻找提高扁平电池设计的安全性和热稳定性的方法，因为电池的未来依赖于空间利用、重量和最大化能量密度而不影响安全性。

在下一篇文章中，我们将讨论如何选择电池。