电池研究院:电池分类与命名大全

2021-02-04 00:10:14 作者:黄恒乐

  【太平洋汽车网 技术频道】《电池研究院》是一个专门针对汽车动力电池技术展开讨论的科普类专栏,有读者们说阅读我的文章期间,有些电池技术基础知识不太了解,网上查的也不准。因此,笔者这次先从电池分类方式和命名方式入手,为大家简单描述一批电池领域的基础条目(以后还有很多批)。

电池研究院:电池分类与命名大全

  划重点重点:本文今后会持续更新。

 
一次电池(不可充电)的分类

  一次电池(Primary cells)和不可充电电池(non-rechargeable batteries)是同一个意思,平时我们接触最多的是碱性电池,其实还有数不清的角色,比如强大到续航数十年的原子能电池。

一次电池列表
命名负极电解质正极标称电压(V)备注

  Alkaline battery
碱性电池

碱金属氢氧化物二氧化锰1.5容量大
自放电率低
价格便宜
Aluminium–air batteries
铝空气电池
氢氧化钾
氢氧化钠
1.2军事用途
Atomic battery
原子能电池
 放射性同位素  航天器
登月车
水下仪器
Bunsen's cell
本生电池
 1.91841发明
以本生命名
有毒
Earth battery
接地电池
铜/铁/锌土壤铜/铁/锌 防强电冲击
Frog battery
青蛙电池
 青蛙腿  生物电试验
Galvanic cell
Voltaic cell
原电池
硫酸锌 伽伐尼VS伏打
最终两人同登
名人堂
Grove cell
格罗夫电池
浓硝酸 还记得武汉
格罗夫汽车
吗?
Leclanché cell二氧化锰
氯化铵 碳锌电池雏形
目前Leclanché是
电池企业品牌
Lemon/potato battery
柠檬/马铃薯电池
柠檬/马铃薯 教学电池
Lithium battery
锂电池
 锂化合物3.721世纪
电池之王
Lithium–air battery
锂空气电池
酸性水溶液
2.91 
Magnesium battery
镁电池
二硫化锆
氧化钴
二硒化钨
 3.1 
Mercury battery
汞电池
碱金属氢氧化物氧化汞
二氧化锰
1.4纽扣电池
记得放
“有害垃圾”桶
Molten-salt battery
熔盐电池
 盐类熔融体  高温电池
储能成本低
Nickel oxyhydroxide battery
羟基氧化镍电池
碱金属氢氧化物二氧化锰
羟基氧化镍
1.5 
Organic radical battery
有机自由基电池 
    塑料电池?
Paper battery
纸电池
    PPT产物?
Silver-oxide battery
银锌电池
碱金属氢氧化物氧化银1.55 
Solid-state battery
固态电池
 固态电解质   
Sugar battery
糖电池
 麦芽糖糊精  PPT产物?
索尼率先发表
论文的喔……
Zinc–carbon battery
锌碳电池
氯化铵
氯化锌
二氧化锰1.5 
Zinc–air battery
锌氧电池
氯化铵
氯化锌
1.4也叫
“锌空气电池”
字母代码负极电解质正极标称电压(V)样例

  下面我们挑几种电池来聊聊。首选,我们平时用最多的是碱性电池,二氧化锰-锌配方,能量密度高,一节碱性能顶镍氢充三次,价格便宜,内阻低,不含汞,垃圾分类回收的时候扔“其他垃圾”就行了,不是有害垃圾。

  此外,南孚“聚能环”就是一个绝缘塑料片,跟能量密度和能量一毛线关系都没有。

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  原子能电池始于1913,跟福特搞流水线模式同年,在20世纪五六十年代实用化,上太空很好使,阿波罗12号到17号都使用过,好奇号火车也有装备。

  原子能电池全名叫Radioisotope Thermoelectric Generator(TRG,放射性同位素热电发生器),利用放射性同位素在衰变过程中产生的热来发电。由于不是链式反应,所以不会炸,但放射性还是有的,所以钢铁侠身体不会太好。

  没所谓了,外太空哪哪都是各类辐射,多一个没所谓。

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  青蛙电池虽然很残忍,但的确是电池领域的启蒙之作(之一),试验的主导者是大名鼎鼎的伽伐尼同志。这哥们的研究成果被人抄袭了之后愤而转向电的研究,最终发现人工电和生物电都是一回事,并认为“青蛙腿里面储藏了电”。

  伽伐尼和伏打因为青蛙腿里面究竟有没电吵得不可开交,最终试验结果倾向于伽伐尼(其实每个细胞都相当于一个小电池),而不服气的伏打同志则发明了更加伟大的原电池——伏打电池。

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  汞电池是我们经常用得到的一次电池,一般都会制作成“纽扣电池”形式,很薄、很小、容量低、自放电率低、有毒。笔者最近收拾房间的时候还找到一台高考用时的卡西欧计算机,纽扣电池居然还有电,这都十几年了。

  下面剖面图解读了纽扣电池的构造,黄色部分是锌或者铬正极,蓝色部分是氧化汞负极。

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  此外还有一个大项就是锂电池,在二次电池总也有这个分类,是21世纪最有前景的电池分类。

 
二次电池(可充电)的分类

  在汽车领域,二次电池才是最重要的话题,毕竟没人想买一次性的汽车动力系统……

  二次电池领域,全球研发机构进行过数十亿次试验,索尼锂离子电池推出市场之前,试过的配方就达一亿种。因此,二次电池是一个非常非常复杂的领域,技术路线绝不止下表描述的这些,但考虑到科普型文章的篇幅最好不好超过8000字,笔者决定下次再对细分的技术路线进行拆解。

二次电池列表
命名负极电解质正极标称电压(V)备注

  Aluminium-ion battery
铝离子电池

石墨 2.0(?)理想很丰满
现实很骨感
Dual carbon battery
双碳电池
钾离子电解液 耐高温
充电超快
当超级电容吧
Flow battery
液流电池
    需要建设
全产业链
才能运作
Lead–acid battery
铅酸电池
硫酸溶液二氧化铅12电压稳定
产业成熟
能量密度低
Glass battery
玻璃电池
石墨固态电解质碱金属 可能是下
一个突破口
Lithium-ion battery
锂离子电池
石墨
无数种无数种3.2
3.7
21世纪
电池之王
Magnesium-ion battery
镁离子电池
  1.5
2.0
高能量密度
循环寿命长
Metal–air electrochemical cells
金属-空气电池



碱性溶液 细分种类
非常多
Molten-salt battery
熔盐电池
 盐类熔融体  高温电池
电网级储能
储能成本低
Microbial fuel cell
微生物燃料电池
微生物电极 微生物电极 利用污水
或光合作用
发电
Nickel–cadmium battery
镍镉电池
 二氧化镍1.2老式手机电池
Nickel hydrogen battery
镍氢气电池
氢氧化钾
氢气
催化剂1.25使用气态氢
高压电池
循环寿命长
用在卫星上
Nickel metal hydride battery
镍氢电池
金属氧化物氢氧化钾氢氧化镍1.2镍镉进化版
Nickel–iron battery
镍铁电池
氢氧化钾氧化镍1.2爱迪生发明
价格高
可靠性极高
铁道车辆使用
Nickel–zinc battery
镍锌电池
氢氧化钾1.65历史悠久
一致性差
不能过充
Organic radical battery
有机自由基电池
    塑料电池?
不含重金属
可制薄膜电池
Solid-state battery
固态电池
 固态电解质  能量密度高
Potassium-ion battery
钾离子电池
金属氧化物固态聚合物碳类 钾便宜
Rechargeable alkaline battery
可充电碱性电池
碱金属氢氧化物二氧化锰1.5循环寿命短
20个深度循环
Silicon–air battery
硅空气电池
 1.2材料便宜环保
能量密度高
暂未实用化
Silver zinc battery
银锌电池
碱金属氢氧化物氧化银1.55笔记本电脑
助听器
人造卫星
潜艇与鱼雷
Silver-cadmium battery
银镉电池
氢氧化钾氧化银1.1有毒
电压太低
Sodium-ion battery
钠离子电池
无烟煤基 锰基
铜基
 钠丰度高
替代铅酸
低速电动车
Sodium–sulfur battery
钠硫电池
熔融金属钠 液态硫
多硫化钠熔盐
 高温电池
制造简单
电网储能
字母代码负极电解质正极标称电压(V)样例

  2015年,铝离子电池领域突发一个新闻,斯坦福大学和湖南大学的几位教授在《自然》上发表了一篇创新性铝离子电池的研究报告,声称铝离子电池有潜力做到充电1小时(超充)、用电3-4天(高容量)。

  很明显,这只是一个实验性质的雏形(虽然真的非常有吸引力,反应机理也很清晰可行),距离成品还有一个跟斗云的距离。5年过去了,没后续,暂时别想了。

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  液流电池是个有趣的东西,笔者与 @谢鹏 同事在6年前合著过一篇长文,讲的是一位出唱片的霸道总裁造液流电池纯电动车的事情:

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  其实,从技术实现的可能性来看,NANO Flowcell真的不算PPT造车/庞氏骗局,个人认为最大的问题是一个小公司根本不可能完成配套基建设施(液流电池换液站和物流l链)的建设,到顶了只能造一些Demo出来然后拉丰田大众通用这类巨头下水……

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  液流电池通过正负极电解液在液流电池模块的交互来发电,与氢燃料电池动力系统的原理差不多,只不过氢气氧气换成了电解液。

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  上世纪50年代以来,汽车用电设备开始增加,12V取代了6V,12V铅酸电池一直沿用至今,统治期超过60年。

  铅酸电池的结构很简单,就是铅负极和二氧化铅正极之间隔着稀释之后的硫酸,单体容量有60Ah左右,也即是0.72kWh的能量,装上5V降压线之后可以给行车记录仪做十几天的驻车记录。

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  玻璃电池是固态电池中的一种,固态电池是锂电池中的一种。2017年,约翰·班尼斯特·古迪纳夫(John Bannister Goodenough),锂电池领域最大的大神推出了一款固态电池,使用玻璃电解质和碱金属阳极(由锂、钠或钾组成)。古迪纳夫博士早在1976年开始了固体化学的研究。

电池研究院:固态电池能带来1000km续航?

  锂离子电池(Lithium-ion battery)的名称是索尼在上世纪90年代为了方便推广起的,其实有点以偏概全,应该用发挥主要作用的正极/负极/电解液命名才对,比如叫磷酸铁锂电池就代表LiFePO4是最大功臣。

  锂离子电池需要进一步细分成极多的技术路线,需要数篇万字长文,我们之后再另辟文章单聊。

宁德时代或为蔚来150kWh电池供应商 2022年第四季度交付

  关于大家用得比较多的镍氢电池,笔者之前写过一篇长文可供参考。目前镍氢电池有一条非常成熟的产业链,但98%以上的大型镍氢电池(动力电池)产能都被丰田松下合资公司垄断了。

  小型镍氢电池(5号)是我们平时最常用的,遥控器、夜灯、四驱车、录音笔,数不尽的用电器都在用5号规格的镍氢电池(5号有多大,下文会详细说),1000次以上的循环寿命也让它的经济性超过了一次电池。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

  固态电池的优势有很多比如能量密度高、可使用金属锂负极、安全性能更高、可薄膜柔性化、循环寿命长、可以做更大的单体电芯、自放电率很低等,缺点就是太贵了、电导率过低等。

  更多详细信息可以点击下方链接查看我的科普长文:

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电池尺寸分类规则

  平时我们会遇到很多不同尺寸的电池型号,下面的表格和解释能帮助我们更好地读懂电池尺寸分类。

1
 
圆柱电池(锂离子二次电池)

  在汽车领域,圆柱型锂离子二次电池是最常见的角色,一开始是由特斯拉Model S在2012年带起来的风潮,居然可以用自研电控把7000多节18650圆柱电池驯服得如此乖巧。

  锂离子二次电池完全充电(SOC 100%)的电压为4.2V,标称电压3.7V,完全放电(SOC 0%)的电压为3.0V。其中,磷酸铁锂电池只能提供3.2V标称电压。

圆柱电池(锂离子)尺寸列表
型号别称外直径(mm)长度(mm)典型容量(mAh)典型用处
07540 7.54080-150电子烟
08570 8.570280电子烟
101801⁄3 AAA101890小型手电筒
102802⁄3 AAA1028200手电筒
10440AAA1044250-350 
14250​1⁄2 AA1425300手电筒
14430 1443400-600剃须刀
14500AA1450700-1000LED手电筒
14650 1465940-1200 
15270RCR21527450-600替代CR2
16340RCR123A1634550-800替代CR123A
16650 16651600-2500窄版18650
17500A1750830-1200CR123A的1.5倍长
17650 17651200-1600 
17670 17671250-1600CR123A的2.0倍长
18350 1835700-1200 
18490 1849800-1400 
18500 18501100-2040AA加长版
18650168A, 186518651500-3500万能电池
20700 20702800-4100特斯拉
21700 21703000-5000特斯拉
25500 25502500-5500 
26500C2650  
26650 26652400-5750 
32600D32603000-6100 
32650 3267.7500-6500LED灯具
3812038120s381208000-10000电动车/储能
3814038140s3814012000 
4015240152s4015215000 
46800无极耳电池4680≈20000特斯拉
型号别称外直径(mm)长度(mm)典型容量(mAh)用处

  这里用得比较多的是14500圆柱电池,比1.2V/1.5V电压平台的镍氢/碱性5号电池要高压很多,钴酸锂材质的标称电压是3.7V,磷酸铁锂是3.2V。

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  最出名的要数18650,因为当时已有成熟的产业链(就是笔记本电芯同款),所以特斯拉可以用很短时间把高性能电动汽车造出来。

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  这种工业化方案可以类比“根据定装子弹设计枪械”,或者“根据GAU-8复仇者七管机造A-10强击机”。

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  再后来,特斯拉采用了21700电池来减少电池包内的电芯总数,精简电控。在上一年底的特斯拉电池日上,马斯克宣布了巨型的46800无极耳电池,预计单体容量能往着20000mAh甚至更高的方向去。

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  未来,圆柱型锂离子二次电池依然会是动力电池领域的主心骨。

2
 
圆柱电池(1.2V/1.5V等)

  除了18650命名形式的分类方式,圆柱电池还有简称型号,就是我们平时见到的AA、AAA这种。

  这是一种更通俗的分类方式,在1.2V/1.5V电压平台的圆柱电池中运用更加广泛。

圆柱电池尺寸列表
型号外直径(mm)长度(mm)典型容量(mAh)标称电压(V)典型用处
4⁄5 AA1440600-15001.2剃须刀
1⁄2 AA14-14.525850-12003.0(锰酸锂)
3.6(锂亚硫酰氯)
CMOS
AAAA8.342.56251.5激光笔
AAA10.544.51200(碱性)
540(碳锌)
800-1000(镍氢)
500(镍锌)
1.5
1.2(镍氢/镍镉)
用处极广
AA14.550.52700(碱性)
1100(碳锌)
3000(磷酸铁锂)
1700-2700(镍氢)
600-1000(镍镉)
500(镍锌)
1.5
1.2(镍氢/镍镉)
用处极广
A1750 1.5旧笔记本
B21.5608350(碱性)1.5 
C26.2508000(碱性)
3800(碳锌)
4500-6000(镍氢)
1.5
1.2(镍氢/镍镉)
 
Sub-C22.242.91200-2400(镍氢)
1800-5000(镍镉)
1.2电动工具
D34.261.512000(碱性)
8000(碳锌)
2200-11000(镍氢)
2000-5500(镍镉)
1.5
1.2(镍氢/镍镉)
手电筒
F339126000(碱性)
10500(碳锌)
1.5 
N1230.2800-1000(碱性)
400(碳锌)
350-500(镍氢)
1.5
1.2(镍氢)
 
A1110.31655(碱性)6=4枚LR932
A2310.328.555(碱性)12=8枚LR932
A27828.222(碱性)12=8枚LR632
BA580035.5128.57500(锂硫)5.3军用GPS
Duplex21.874.6 3 
4SR441325.2110-150(碱性)
170-200(银锌)
6.2(碱性)
6.5(银锌)
 
型号外直径(mm)长度(mm)典型容量(mAh)标称电压(V)典型用处

  在上述型号中,我们见得最多的是AAA(7号)电池和AA(5号)电池。

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  如果使用常规的5号镍氢电池组装一台48kWh的纯电动车,需要多少节呢?

  假设单节为2000mAh/1.2V/27g,那么单节能量就是2.4Wh,需要20000节5号镍氢电池,不算任何模组结构件、电控、冷却系统的电芯全重为540kg。这也是为何镍氢电池不适宜做纯电动汽车的原因。

3
 
方形电池

  这里总结的方形电池不是目前动力电池包里面的大型方形锂离子电池(3.7V电压),而是利用1.2V/1.5V电压电池组件的方形电池模组。这是当前市面上的成熟体系,大家都用过。

方形电池尺寸列表
型号长(mm)宽(mm)高(mm)典型容量(mAh)标称电压(V)串联组数
4.5V6222676100(碱性)
1200(碳锌)
4.53节B型
9V / E26.517.548.5565(碱性)
400(碳锌)
175-300(镍氢)
120(镍镉)
500(锂聚合物)
120(汞)
7.2(镍氢/镍铬)
8.4(镍氢/镍铬)
9.0
9.6(镍氢/镍铬)
6-8节
6V Lantern
(Spring)
68.268.211526000(碱性)
10500(碳锌)
64组
Lantern
(Screw)
66.766.7109.526000(碱性)
10500(碳锌)
64组
Lantern
(Big)
132.573125.452000(碱性)
22000(碳锌)
64组
J35.69.1848.5625(碱性)64节
型号长(mm)宽(mm)高(mm)典型容量(mAh)标称电压(V)备注

  看完表格还没明白笔者在说什么的,可以看下图,这就是用6个1.5V圆柱电池组件起来的9V方向电池。

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  除了纵置形式,我们还能找到横置形式。

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  大家可能会疑惑,为什么表格里面有些电池的容量上万mAh,有些才几百mAh。

  实际上,成组之后只有2000mAh以下的方形电池,基本上都是1.2V/1.5V单体电池直接串联起来的,4.5V碱性电池是个高容量的特例,毕竟碱性电池(一次)的单体容量非常高。

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  而那些动辄10000mAh以上容量的方形电池,就是串并联都有的方案,串联升压,并联增容,最终用AA(5号)电池组建成上图这种容量为52000mAh的6V大型方形电池模组。

4
 
纽扣电池

  纽扣电池是我们日常最常见的电池类型之一,用得最多的是3V电压的CR系列锂锰电池(锂-二氧化锰)和1.5V电压的LR/SR系列碱性锰锌电池,此外还有LIR、ML、VL系列的可充电锂电池。

  以下型号按照国际电工委员会(IEC,International Electrotechnical Commission)的标准撰写:

纽扣电池尺寸列表
型号外直径(mm)厚度(mm)典型容量(mAh)用处
CR9279.52.730乐高玩具
CR1025102.530 
CR113011.53.070遥控钥匙
CR121612.51.625LED饰灯
CR122012.52.035-40数码相机
CR122512.52.550 
CR1616161.650-55GameBoy存储器
CR1620162.075-78遥控钥匙
CR1632163.2140(锂锰)
120(碱性)
遥控钥匙
CR2012201.255 
CR2016201.690成对使用
CR2020202.0115-125 
CR2025202.5160-165用处广泛
CR2032203.2225(锂锰)
190(碱性)
用处广泛
CR2040204.0280过时
CR2050205.0  
CR2320232.0110-175 
CR2325232.5165-210 
CR2330233.0265(锂锰)
255(碱性)
 
BR2335233.5165(碱性) 
CR2354235.4560 
CR241224.51.2100 
CR243024.53.0270-290 
CR245024.55.0610-620 
CR247724.57.71000(最高容量)
CR3032303.2500-560(锂锰)
500(碱性)
 
CR1110811.610.8160 
型号外直径(mm)厚度(mm)典型容量(mAh)用处

  关于纽扣电池,我们只说两个最常用的型号就行,一种是CR2025,一种是CR2032,直径相同,厚度不同,有时候我找不到CR2032的时候就会拿CR2025再垫1mm的东西,电压一样的,容量稍微小一点而已。

电池研究院:电池分类与命名大全

   

  此外,纽扣电池还有很多碱性电池型号,笔者就不在表格中一一写出来了。

 
电池命名规则

  目前国际上有两大电池规范组织,一个是国际电工委员会(IEC,International Electrotechnical Commission)的标准,一个是美国国家标准协会(ANSI,American National Standards Institute),本文只讨论IEC标准。

  IEC于1906年在法国创立,负责制定各种电气产品的标准。IEC有很多分支机构,其中1933年建立的TC21部门负责二次电池标准,1948年建立的TC35部门负责一次电池标准。

  当前的电池命名规则(电池命名系统)是1992年启用的。

1
 
电化学系统命名

  第一个字母标识控制电池性能的主要成分,也相当于标注好了标称电压。

电化学系统命名列表
字母代码负极电解质正极标称电压(V)最大开路电压(V)样例
(无)氯化铵
氯化锌
二氧化锰1.51.725锌碳电池
A氯化铵
氯化锌
1.41.55锌氧电池
B有机电解质一氟化碳3.03.7锂电池
C有机电解质二氧化锰3.03.7锂电池
E非水无机电解质亚硫酰氯3.63.9锂电池
F有机电解质二硫化铁1.51.83锂电池
G有机电解质氧化铜1.52.3锂电池
L碱金属氢氧化物二氧化锰1.51.65碱性电池
M
(已撤销)
碱金属氢氧化物氧化汞1.35 锌汞电池
N
(已撤销)
碱金属氢氧化物氧化汞
二氧化锰
1.4 锌汞电池
P碱金属氢氧化物1.41.68锌氧电池
S碱金属氢氧化物氧化银1.551.63银锌电池
Z碱金属氢氧化物二氧化锰
羟基氧化镍
1.51.78羟基氧化镍电池
字母代码负极电解质正极标称电压(V)最大开路电压(V)样例

  其中,M与N目前已撤销,因电池含汞不环保。

2
 
电池外尺寸命名

  形状命名法则就简单多了。

电池形状命名列表
字母代码代表用处
RRound
圆形
圆柱电池
PNot Round
非​圆形
其他
FFlat
薄片
薄片电池
SSquare
方形/棱柱形
方形电池

  比如LR44纽扣电池,我们可以知晓L代表碱性配方,R代表圆柱构型,只不过特别扁就成了纽扣电池。

  下面还有一部分沿用很久的电池特定命名,比如R6电池其实就是AA(5号)电池,14.5mm直径,50.5mm高度

电池特定命名列表
代码标称直径(mm)标称高度(mm)常用型号名
R253291F
R2034.261.5F
R1426.250.0C
R614.550.5AA
R112.030.2N
R0310.544.5AAA

  此外,圆柱形电池的直径和高度不一定是整数,命名时不能用四舍五入的法则,而是依据下表的最大尺寸来规范命名:

圆柱电池尺寸命名规则列表
代码最大直径(mm)最大高度(mm)
44.8 
55.8 
66.8 
77.9 
99.5 
1010.0 
1111.6 
1212.51.20
16161.60
20202.00
2323 
2424.5 
25 2.50
30 3.00
36 3.60
50 5.00
代码最大直径(mm)最大高度(mm)

  根据尺寸标定的命名还有一些不常用的细节,此节以后搜集到更加详尽的资料再更新。

4
 
一个疑问:石墨烯电池存在吗?

  实际上“石墨烯电池”这个概念本身就是不正确的。

  电池会以促成它性能的最主要材料来命名,比如下表中的电池命名及其金属含量,就是一一对应的:

回收1吨电池所获得的金属重量(吨)
 锂 Li钴 Co镍 Ni锰 Mn铝 Al
磷酸铁锂 LiFePO40.016    
锰酸锂 LiMn2O40.029  0.224 
三元锂 NCM1110.0240.0690.0690.064 
三元锂 NCM5230.0280.0470.1190.066 
三元锂 NCM6220.0300.0510.1520.047 
三元锂 NCM8110.0330.0280.2210.026 
镍钴铝酸锂 LiNiCoAlO20.0300.0380.204 0.006

  此外,因为目前正极材质是电池性能主要决定元素,所以多数电池都以正极来命名,而石墨烯电池的反应机理基本就是PPT状态,整天吹充电8分钟能跑1000km、成本降低80%的那些新闻,一笑而过就行。

 
结语

  这篇文章的表格信息会持续更新,而关于一些主流技术路线的细分路线详细陈述,笔者会另辟长文进行陈述。

(文:太平洋汽车网 黄恒乐)

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