【Maker電子學】認識小型一次性電池的功能特性

作者:Bird

上一篇採用鈕扣型鋰電池的供電設計,我們談了鈕扣型鋰電池的一些規格與應用,收到一些迴響,這次我們就繼續來聊聊跟電池有關的話題。

我們上次談的電池叫做「一次性鋰電池」,所謂一次性指的就是它只能用一次,用完就丟不能充電。當然請你不要隨便亂丟,電池裡面有很多你聽到名字之後絕對不會想吃下肚的物質,如果隨一般垃圾棄置的話,有污染土地的可能性,因此請確實做好電池回收。但其實早在鋰電池發明之前,就存在很多其它的一次性電池產品與技術。

隨處可見的 LR44

有讀者在 MakerPRO 粉專的留言中提到 LR44,這個型號的鈕扣型電池大概是除了 CR2016/2025/2032 這一系列的鈕扣型鋰電池外,最被廣泛使用的一次性電池了,而它們其實就是鹼性電池。

對,LR44 是如假包換的鹼性電池,就跟你在 7-Eleven 買到的三號、四號金頂或是勁量一樣,是鹼性電池,只是比較小顆而已。鹼性電池是以鋅為陽極、二氧化錳為陰極、氫氧化鉀為電解液構成的電池,具有和傳統碳鋅電池一樣 1.5 V 的空載端電壓。

四號碳鋅電池(圖片來源:Bird 提供)

上圖是一顆很典型的四號(也叫做 AAA)碳鋅電池,可以看到它上面寫著電壓是 1.5 V。鹼性電池可以說是碳鋅電池的改良版,它用高濃度、高活性的氫氧化鉀取代碳鋅電池中的氯化銨作為電解液,再加上陽極、陰極材料的改善,使得鹼性電池可以輸出比碳鋅電池更大的電流,在同樣的體積之下也具有較大的容量。

LR44 這個編號來自於 IEC(國際電工委員會)舊時對手錶用小型電池的定義,在比較新的標準中,它稱之為 LR1154。有讀過前一篇文章的讀者,應該可以猜到這個編號的意思就是圓形(R)、直徑 11 mm、厚度 5.4 mm,而前面的 L 則是 IEC 分配給鹼性電池的代碼。

LR44  鹼性電池(圖片來源:Bird 提供)

事實上我手上這顆 Maxell 的 LR44 電池已經有十年以上的歷史,Maxell 現在已經不生產 LR44 電池了,不過網路上還是找得到早期 Maxell 的 LR44 規格書,我們來看看。

Maxell LR44 的規格書

從規格書上可以看得到,它的標準電壓是 1.5 V,容量則是 110 mAh,但這個容量後面有個但書:負載 6.2 KΩ。我們可以來算一下在這樣的負載之下,它的放電電流:

1.5 V / 6200(Ω)= 0.00024 A = 0.24 mA

0.24 mA 是個什麼樣的概念?我只能用「虛弱」來形容它。這種小型鹼性鈕扣電池由於結構上的限制,它的內阻相對來說比較大,因此沒辦法像三號、四號鹼性電池那樣用數百 mA 甚至更大的電流放電,因此只能使用在像 LCD 時鐘、LCD 計算機這種耗電極小的產品。

簡單來說,如果你要做的東西工作電流超過 1 mA,大概就不用考慮像 LR44 這種鈕扣型的鹼性電池了。

比 LR 更優秀的 SR

在同樣的尺寸下,有另一個電池的家族跟 LR 系列非常相似,它們是 SR 開頭的氧化銀電池。

氧化銀電池是以鋅為陽極、氧化銀為陰極、氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液做為電解液所構成的電池。它的電壓是 1.55 V,比鹼性電池略高一點點,但在大部分的應用中仍然可以和 1.5 V 的鹼性電池互換,因此幾乎所有 LR 開頭的鹼性電池都會有一樣尺寸的 SR 電池。不用說,最常用的一定是用來替代 LR44 的 SR44。

氧化銀電池的能量密度比鹼性電池大,因此在同樣的尺寸下能有較大的容量。我們找個 SR44 的規格書來看看。這是勁量的 SR44 電池:

勁量 SR44 電池規格書(圖片來源:勁量電池產品規格書

可以看到它用 6.8 KΩ 的負載放電時,可以有 150 mAh 的容量,比同尺寸的 LR44 大了 30% 以上。

氧化銀電池另一個優於鹼性電池的特性是它的放電電壓相對來誰比較穩定,在它的容量前 40% 左右的區間大概都還能維持 1.5 V 左右的水準,而鹼性電池的電壓則會隨著開始放電之後一路下降。

不該再出現的水銀電池

老一輩的人看到這種小型的鈕扣電池常常將它們稱之為「水銀電池」,那是因為早期的小型鈕扣電池幾乎都是水銀電池。

水銀電池是以鋅為陽極、氧化汞為陰極、氫氧化鉀為電解液所構成的電池。它的單位體積容量甚至比氧化銀電池還要大,以和 LR44/SR44 相同的尺寸為例,容量可以到 200 mAh 以上。但它的電壓比較低,只有 1.35 V。

不過由於汞是非常毒的重金屬,先進國家已經開始積極限制電池裡面使用汞的比例。大部分國家對於電池含汞量的限制都在 ppm 等級,像水銀電池這種幾乎整顆都是汞的電池在這個時代根本罪大惡極、罪無可赦,因此它已經被許多國家禁用。以後看到這種小型鈕扣電池,別再稱它「水銀電池」了。

其實傳統的鹼性電池或是氧化銀電池,在早期也會添加微量的汞用以保護陽極的鋅,避免在放電過程中鋅被電解液腐蝕甚至產生氫氣。但近年來已經有新的腐蝕抑制以及氫氣吸收材料可以取代汞的功能,因此現在已經可以買到完全不含汞的鹼性電池和氧化銀電池。

電池可以堆起來用

這裡有兩顆比較不一樣的電池:

9 V 碳鋅電池與 12 V 鹼性電池(圖片來源:Bird 提供)

左邊這顆是 9 V 的碳鋅電池,常常在手持式儀器或無線麥克風裡看到;右邊則是 12 V 的鹼性電池,幾乎所有的鐵捲門遙控器都是用這種電池。

跟我們平常用的電池比起來,這兩顆電池的電壓相當高,連 3.7 V 的鋰電池都望塵莫及。事實上世界上沒有任何電化學反應可以直接產生 9 V 或 12 V 這麼高的電壓,那麼這兩顆電池是這麼做到的呢?

答案是:用堆的!

9 V 這顆碳鋅電池裡面其實有六顆 1.5 V 的碳鋅電池堆在一起串聯起來。

為了證明我沒有亂講,我冒著生命的危險把這顆電池拆了,讓各位讀者看看它裡面長什麼樣子。叔叔有練過,小朋友真的不要學。

9 V 碳鋅電池其實是由六顆 1.5 V 的碳鋅電池堆疊串聯起來(圖片來源:Bird 提供)

9 V 的電池拆開之後,可以很明顯地看到它裡面有六個小單元,每一個單元其實就是一顆 1.5 V 的碳鋅電池。

至於 12 V 的鹼性電池,裡面則是有八顆更小的鹼性電池堆在一起串聯起來,達到 12 V 的電壓。由於鹼性電池的電解液是強鹼、具有腐蝕性的氫氧化鉀,稍有不慎會有外漏的危險,我就不拆給讀者看了。

千萬別充電

不管是我們上次談的鋰錳電池,還是這次介紹的碳鋅電池、鹼性電池、氧化銀電池,它們都是「一次電池」,既然叫做一次電池,請你使用「一次」就好。

千萬別拿去充電。

這些一次電池都不是設計來充電重複使用的,如果你用充電的方式強迫逆轉它的化學反應,會在內部產生氫氣。由於一次電池的殼體都是密封的,充電時產生的氣體會讓它內部的壓力增加,當壓力超過殼體所能承受的範圍時,電池就會破裂甚至爆炸,強鹼的電解液伴隨著可燃的氫氣一起噴出來,非常危險。

有讀者問到,主機板上的 CR2032 可以充電嗎?絕對不行!

早期有些主機板上會有這樣的電池,是可以充電的:

三顆 1.2 V 的鎳氫電池串聯成為一顆 3.6 V 電池(圖片來源:Bird 提供)

這是三個 1.2 V 的鎳氫電池串聯起來的 3.6 V 電池,它是可以充電的。每次主機板開機時就會對它充電,關機時則利用它裡面的電維持時鐘的運行,以及保持一小部分記憶體的內容。如果你太久沒開機,導致它裡面的電被用光,你還會發現開機後的時間日期被歸零了。

但現在主機板上的電池大概都是這種:

CR2032 鋰錳一次電池(圖片來源:Bird 提供)

它上面清清楚楚寫著 CR2032,也就是我們上回介紹的鋰錳一次電池,不能充電,絕對不能充電。

小結

拜半導體製程進步所賜,現在的 RTC 時鐘和靜態記憶體耗電都非常低。有多低?典型的 RTC 晶片大概只需要 1 uA 以下的電流,就能維持時鐘的運作,以及保存記憶體的內容。以 CR2032 有 220 mAh 的容量來計算,可以讓 RTC 晶片撐上 22 萬小時,差不多是 9166 天,或是 25 年。因此它不能充電,也不用充電。

聊了這麼多一次電池,希望讀者們對電池都能有更深入的認識。下回我們再來談談可以充電的電池吧!

(責任編輯:賴佩萱)

 

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在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
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Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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