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如果你最近檢視過你的雜物抽屜，你可能會注意到為你的電子裝置供電的各種形狀、尺寸和型別的電池。首先，有用於手錶和小物件的圓形、不可充電的紐扣電池。還有用於計算器、時鐘和遙控器的流行的 AA 和 AAA 圓柱形電池。然後是筆記型電腦和手機中的可充電鋰離子電池。別忘了你汽車裡的鉛酸電池。
我是一位研究電池和電化學的教授。要理解為什麼電池有這麼多不同的尺寸和形狀——並且服務於多種用途——請回顧過去，看看電池是如何起源的，以及它們多年來是如何發展的。
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第一批電池是在 19 世紀製造的，它們非常簡單。最早的演示之一是一系列浸泡在鹽水中的金屬圓盤，義大利科學家亞歷山德羅·伏特發現它可以產生電流。第一個鉛酸電池是由一個裝在硫酸罐中的幾個鉛片製成的。現代版本並沒有太大不同。它們只是更容易製造，並且包含各種新增劑以提高效能。
在所有情況下，電池的工作方式都相同：兩個不同電極之間的電壓差產生電流，電流可以放電以驅動裝置。可充電電池隨後可以反轉此電流以重新充電。在電池內部，電流伴隨著離子透過液體電解質的流動。
電流中每個電子的透過都伴隨著一個離子透過電解質的傳輸。可以儲存更多離子的電極可以製造出可以容納更多電荷的電池，因此單次充電後可以使用更長時間。為更快離子儲存而設計的電極可以製造出可以更快放電的電池，用於高功率應用。最後，能夠多次充電和放電而不會退化，可以製造出壽命長的電池。
鉛酸電池
鉛酸電池是 1859 年由加斯頓·普蘭特發明的第一個可充電電池，他用酸性溶液中的鉛板進行實驗，發現電流的流動和儲存可以逆轉。
鉛酸電池必須足夠大，才能提供足夠的電量來啟動汽車。它還必須在寒冷的氣候中可用，並且可以使用多年。由於電解液是腐蝕性酸，外部外殼必須堅固，以保護人和汽車零件免受任何可能的傷害。瞭解了這一切，現代鉛酸電池體積龐大且笨重就很有道理了。
鹼性電池
另一方面，像計算器和數字秤這樣的家用裝置可以使用較小的電池，因為它們不需要大量電荷。這些主要是已經使用了幾十年的不可充電鹼性電池。標準化的電池尺寸有 AAAA、AAA、AA、C 和 D，以及紐扣電池和硬幣電池以及許多其他尺寸。尺寸與它們儲存的電荷量有關——電池越大，它容納的電荷就越多——以及它們供電裝置的尺寸。
有時，您可能會發現以矩形形狀出售的鹼性電池，例如常見的 9 伏電池，但是開啟外殼後，您會發現它們只是內部連線在一起的幾個圓柱形電池。圓柱形電池已經存在很長時間並且被廣泛使用，以至於公司製造任何不同的電池都沒有意義——這將需要投資來改造他們的製造工廠，這是他們寧願不做的事情。
鋰離子電池
鎳鎘電池是第一批廣泛用於家用電子產品的可充電電池，在 20 世紀末非常流行。但它們也有缺點。鎘毒性很大，而且電池有“記憶效應”，這會縮短其壽命。
幾十年來，鋰因其作為一種輕質金屬的獨特特性而被研究用於可充電電池，它可以儲存大量能量。索尼於 1991 年首次將鋰離子電池商業化。
該公司製造圓柱形電池，因為這些電池最容易製造。在 20 世紀 90 年代，索尼生產了大量的攝像機和磁帶，因此擁有大量的卷對卷製造裝置。很自然地，重新利用這些裝置來生產成卷的電池電極，這些電極是透過在銅或鋁片上澆鑄薄膜，然後將它們捲成“果凍卷”圓筒製成的。
這些圓柱形電池的厚外殼在機械上很堅固，為了增加一層安全性，它們還配備了壓力釋放閥。很快，這些早期的鋰離子電池就佔領了行動式電子產品市場，尤其是筆記型電腦和手機，因為它們比鎳鎘可充電電池儲存更多的能量並且使用壽命更長。
影響電池形狀的因素
出於成本和可製造性的原因，電池被製造成特定的尺寸和形狀，但在其他情況下，則是由於遺留的製造工藝。市場需求也發揮著作用。
例如，在特斯拉開始使用圓柱形鋰離子電池而不是其他電動汽車製造商使用的矩形軟包或方形電池來製造汽車之前，電動汽車並沒有起飛。軟包電池和方形電池可以緊密地堆疊在一起，但由於圓柱形電池已經為行動式電子產品批次生產，特斯拉能夠在 2010 年代製造出成本更低的電動汽車。
未來電池將採用什麼形狀和尺寸，不僅取決於它們儲存多少能量，還取決於市場經濟——每種型別的電池有多容易製造，製造成本是多少以及它們的用途是什麼。這些因素是創新和歷史的結合。
本文最初發表於 The Conversation。閱讀原文。