BU-301: A look at Old and New Battery Packaging

探索熟悉的电池形态，从上世纪的玻璃罐到现代标准化设计

早期的电池主要是在19世纪和20世纪初的欧洲被制造，这些电池大多被封装在玻璃罐中。随着电池体积的增加，包装材料逐渐从玻璃罐转变为密封的木制容器及复合材料。在1900年左右，电池的生产从欧洲扩展到美国，国家碳公司成功地制造了一种广泛使用的标准电池。它是锌碳的哥伦比亚干电池，能够输出1.5伏特，长度为6英寸。

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随着便携性的需求增长，封闭式圆柱形电池开始出现，这为标准化尺寸奠定了基础。国际电化学委员会（IEC）在1960年成立，成为一个非政府的标准组织，为大多数可充电电池制定了规范。大约在1980年，国家标准与技术研究院正式确立的字母命名法至今仍在使用。表1总结了这些历史上的电池尺寸及当前标准。

尺寸

尺寸数据

历史背景

F电池

33 x 91 mm

于1940年推出，用于灯笼；后被用于收音机；今天仅有镍镉电池可用。

E电池

N/A

约在1970年推出，用于供电盒灯及爱好者应用；约在1990年停产。

D电池

34.2 x 61.5mm

于1950年推出，用于手电筒及收音机；至今仍在使用。C电池

25.5 x 50mm

约在1940年推出，旨在实现更小的形态。

Sub-C电池

22.2 x 42.9mm
16.1mL

用于无绳工具电池。其他尺寸包括1/2、4/5和5/4的Sub-C长度，主要为NiCd。

B电池

20.1 x 56.8mm

于1920年推出，用于便携灯具，包括在欧洲的自行车灯；在2000年北美停产。

A电池

17 x 50mm

提供NiCd、NiMH和一次性锂电池；还提供2/3和4/5尺寸。曾在老旧笔记本电脑和兴趣项目中流行。

AA电池

14.5 x 50mm

于1907年推出，作为便携灯具的电池，出现在第一次世界大战中；于1950年加入ANSI标准。

AAA电池

10.5 x 44.5mm

于1962年为博肯相机开发，成为更小的电池。于1980年加入ANSI标准。

AAAA电池

8.3 x 42.5mm

9V电池的衍生物，自1960年起使用。常见于激光指示器、LED手电和电脑手写笔。

4.5V电池

67 x 62
x 22mm

由三个电池组成的平包；短端子为正极，长端子为负极；在欧洲和俄罗斯常见。

9V电池

48.5 x 26.5
x 17.5mm

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额外阅读：
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18 x 65mm
16.5mL

于上世纪90年代中期开发，为锂离子电池；常用于笔记本电脑、电动自行车、包括特斯拉电动汽车。

26 x 65mm
34.5mL

较大容量的锂离子电池。有些标称为26x70mm，常见的化学成分为LiFeO4，适用于UPS、爱好和汽车。

14 x 50mm

锂离子电池，与AA电池类似尺寸。(需要注意的是电压不兼容：NiCd/NiMH = 1.2V，碱性 = 1.5V，锂离子 = 3.6V)*21 x 70mm新型号（），用于特斯拉Model 3及其他应用，由松下、三星和Molicel等制造。32 x 65mm主要采用LiFePO4（磷酸铁锂）组成，额定电压为3.2V/电池，典型容量为5,000mAh。尺寸为32x65mm，实际尺寸可能略大以容纳绝缘材料和标签。

在电池的标准化过程中，主要集中在锌碳电池上；碱性电池在20世纪初才开始流行。随着密封镍镉电池在20世纪中后期的普及，出现了许多新尺寸，很多都来自“A”和“C”尺寸。从20世纪90年代开始，锂离子电池制造商则开始脱离传统尺寸，自创标准。

一种成功的标准是18650圆柱形电池。于1990年代早期开发，用于锂离子，目前广泛应用于笔记本电脑、电动自行车和电动汽车（特斯拉）。电池的前两位数字代表直径（毫米），后面三个数字代表长度（以十分之一毫米为单位）。18650电池的直径为18mm，长度为65.0mm。

其他尺寸通过类似的编号方案进行识别。例如，棱柱形电池使用字母P标识，表示其厚度为5.6mm，宽度为46mm，长度为56mm。因为化学品的种类繁多，电池单元没有显示具体化学成分。

自18650电池于1993年推出以来，并没有出现太多新型标准。几个电池制造商率先尝试稍大直径的电池，尺寸为20x70mm、21x70mm和22x70mm。松下和特斯拉选择了21x70尺寸，三星等其他制造商随后跟进。21x70电池仅比18650略大，但能容纳更多的能量（按体积计算多35%）。这一新型电池被用于特斯拉Model 3，而三星正在寻找在笔记本电脑、动力工具和电动自行车等领域的新应用。最佳生产尺寸的直径在18mm到26mm之间，21x70则正好介于两者之间。（21x70电池也被称为21700电池。）早期推出的22x70电池从未成为畅销产品。

大型电池系统一般用于储能系统（ESS）、不间断电源（UPS）、海洋船只和牵引领域，主要使用大尺寸的袋形电池，轻轻堆叠以延长使用寿命并防止层间剥离。热管理通常通过将热量从层间传导到外部，通过液体冷却来完成。

未来电池单元种类的趋势

锂离子电池的格式标准化仍存在很大差异，特别是在电动汽车领域。许多研究团队包括弗劳恩霍夫研究所，正在探索各种电池格式和最具前景的电池类型，预计袋式和18650圆柱形电池将在未来几十年中占主导地位。同时，三星等公司对棱柱形电池寄予厚望，LG则倾向于袋形电池，而松下则仍以18650和21700圆柱形电池为主流。

在移动电话和笔记本电脑的电池上，显然已经脱离了既有的标准。这部分归因于制造商未能达成统一的标准，导致大多数消费设备使用定制电池单元或电池组。紧凑的设计和市场需求使制造商倾向于走自己的道路。在高产量和故意设计缺陷的推动下，消费产品中出现了多种独特的电池尺寸。

早期人们对电池的印象是其外形较为庞大，这在尺寸约定上得到了反映。例如，F字母命名在20世纪初可能被视为中等规格，但我们的先人并未预见到一种与信用卡体积相似的电池能够为电脑、手机和相机提供动力。由于小尺寸电池的命名字母逐渐用尽，导致了AA、AAA和AAAA这样的尴尬编号方式。

自9V电池于1956年推出以来，再未出现新的电池格式。同时，便携设备的工作电压降至3V至5V之间。将六个电池（6S）串联以达到9V的制造成本较为昂贵，3.6V的替代品能更好地满足需求。此新型电池将具备特定代码以防止一次性电池充电，以及选择适合二次化学电池的充电算法。

汽车的启动电池同样遵循基于北美BCI、欧洲DIN和日本JIS标准的电池规格。这些电池之间有着相似的尺寸，以便于更换。深循环电池和固定式电池则不遵循任何标准化规格，更换电池组必须从原制造商处采购。电动汽车电池的标准化尝试可能不会成功，可能与20世纪90年代企图标准化笔记本电池的尝试相似。

可充电电池的安全隐患

商用电池大多为一次性电池，适合公众使用。常见的应用包括手电筒、便携娱乐设备和遥控器。若使用钥匙或硬币意外短路，碱性电池只是加热，而不会引发火灾。电气短路时，由于内部电阻高，电压会崩溃；解除短路后，反应即停止。（参见BU-304c：公共娱乐场所的电池安全）

可充电电池通常封装在专用电池包内；唯一例外是某些用于电子烟的18650电池。与大型AA电池相似的锂离子电池若无妥善处理可能会造成急性伤害，甚至死亡。如若出现短路，未加保护的锂离子电池将会冒火。一旦爆炸开始，解除短路不能阻止反应，电池将被烧毁。锂离子电池具备大功率输出的特性必须得到充分重视。（另见BU-304c：公共娱乐场所的电池安全）

18650电池可以通过BU-304b：提升锂离子电池安全性中所述的内置安全电路来实现安全。具备保护功能的电池，如果过流将会断电，可能通过热元件或电熔丝瞬时切断，甚至永久性断电。但是，带熔丝的锂离子电池在需要高电流的场景下会丧失响应，如在电子烟中。电子烟的备用电池通常不加保护。

另一个引发火灾的原因是劣质无品牌电池。品质优良的锂离子电池制造商所生产的电池相对安全。但许多后市场产品并不具备品牌产品的严格安全检查。（参见BU-810：购置后市场电池的注意事项）电池还可能因热、冲击、震动及充电或负载不当而受损。

在将来，保险商实验室（UL）可能会修改安全规定，要求市售电池如18650等不可由消费者自行拆卸。

* 弗劳恩霍夫研究所是欧洲最大的研究机构，专注于健康、安全、通信、能源和环境。

想了解更多信息，请访问我们的网站 Lithium-ion battery cells。