减小电池尺寸和成本

作者 SOL JACOBS  ，Tadiran Batteries 副总裁兼总经理

涉及不必要的大而重的电池的折衷设计解决方案通常会导致频繁更换电池，以及将重型电池运输到偏远、难以到达的位置相关的经常无法预料的费用。在小型化时代，这些缺点正变得越来越大。 

指定寿命/尺寸/成本等式

为了为电池供电的远程无线设备指定理想的电源，需要考虑各种性能参数，包括：

低温和高温 — 极端温度会降低脉冲下的电池电压。如果电池的温度范围有限并且部署在恶劣的环境中，那么可能需要一个超大尺寸的电池来补偿脉冲负载下的预期电压降。另一种解决方案可能是选择线轴型锂亚硫酰氯 (LiSOCl 2 ) 电池，该电池具有非常高的能量密度，并且经过改进以在极端温度下提供高脉冲，从而消除了对所有额外容量或电压的需求。

工作电压 — 简单的数学计算表明，提供与 3.6V 电池相同的电压需要两倍多的 1.5V 电池。更少的单元意味着更小的尺寸、重量和成本。

功率与能量—— 这个设计挑战因应用而异。例如，某些无线设备很少通电，需要高脉冲来实现短脉冲，而不会消耗太多能量（容量）。一些典型的高脉冲/低能量应用包括运行几分钟的手术动力工具和保持空中飞行数秒的制导弹药。例如，手术电钻可以使用四节 AA 尺寸的锂金属氧化物电池来代替 12 节碱性电池。在导弹应用中，一小包锂金属氧化物电池的性能可以胜过由银锌电池组成的更大、更昂贵的定制电池组。

大多数电池技术从未设计为产生高功率/能量比，因此需要大量电池来补偿其低脉冲设计，从而导致电池容量过大。

自放电—— 某些电池技术容易产生高自放电率，每月损失高达总容量的 8%，因此需要超大电池来补偿预期的能量损失。更换年自放电率低得多的电池将允许电源更小，并且还可以消除在设备使用寿命内多次更换电池的需要。某些线轴型 LiSOCl 2 电池具有每年 0.7% 的极低自放电率，因此可以在 40 年后保持其原始容量的 70% 以上。相比之下，每年自放电率为 3% 的电池（乍一看似乎只是逐渐升高），仅 10 年就会耗尽其原始容量的 30%。

循环寿命 — 大多数消费级可充电锂离子 (Li-ion) 电池的循环寿命有限，约为 5 年，可完全充电 500 次。如果设备需要在不更换电池的情况下运行超过 500 次充电循环，则需要额外的电池以减少每个电池的平均放电深度。 

为了应对这一挑战，最近开发了一种工业级可充电锂离子电池，可将电池循环寿命延长至 20 年和 5,000 次充电循环。这种工业级可充电锂离子电池还能够提供高脉冲，并具有 -40°C 至 +85°C 的扩展温度范围。 

高脉冲要求——远程无线设备越来越需要高脉冲来为先进的双向通信和远程关闭功能供电。碱性电池因其高倍率设计而非常适合提供高脉冲。然而，这些消费级电池也有严重的局限性，包括低电压 (1.5 V)、有限的温度范围 (0°C 至 +60°C)、高自放电率，可将预期寿命缩短至一到两年，以及可能泄漏的卷边密封。碱性电池可能还需要每隔几个月更换一次，这会增加总拥有成本，尤其是对于部署在偏远、难以接近的位置的无线设备。

标准线轴型 LiSOCl 2 电池并非设计用于处理高脉冲，因为它们在首次承受此类脉冲负载时可能会经历暂时的电压下降：这种现象称为瞬态最小电压 (TMV)。然而，可以通过使用获得专利的混合层电容器 (HLC) 以经济高效的方式对标准线轴型 LiSOCl 2 电池进行修改以提供高脉冲。 

电池和 HLC 并联工作，电池在 3.6 至 3.9V 标称范围内提供长期低电流电源，而单单元 HLC 存储并提供高脉冲。这种混合电池还具有独特的寿命终止性能曲线，可以对设备进行编程以提供“低电量”状态警报。

另一种最小化 TMV 的方法是使用超级电容器与锂电池串联。然而，超级电容器具有主要缺点，包括体积大、自放电率高（每年高达 60%）和温度范围有限。涉及使用多个超级电容器的解决方案还需要平衡电路，这会消耗额外的电流并增加成本。

较低的初始成本可能具有高度误导性 ——电池的总拥有成本并不总是准确地反映在其初始成本中。如果该设备用于长期部署，那么与更频繁更换电池相关的额外劳动力和运输费用可能会加起来，其成本远远超过电池本身。

在难以访问的应用程序和极端环境中，涉及增加尺寸和重量的折衷解决方案也可能存在很大问题。例如，紧凑、轻便的电源非常适合在寒冷的北极条件下工作的科学家，他们可以执行任务的重量和体积有限。更轻且体积更小的电池也有利于那些整天在电线杆上上下搬运设备的公用事业线路人员。此外，由于联合国和国际航空运输协会的运输法规更加严格，运输锂电池的成本越来越高。

审核编辑 黄昊宇