【電池篇-鋰電池】基本認識與產地(一次電池:CR鋰二氧化錳, BR氟化碳鈕扣式電池, 二次可充電池: VL,ML,LIR)

Written by OSCAR on 一月 15th, 2018


【前言與簡介】
生活中的電池應用太多款,除了汽機車動電電池(鉛酸12V),與常用的碳鋅/鹼性/鎳氫電池(1、2號、AAA、AA..)與近年來主流的鋰系列電池… 但卻少人有去了解相關的正確的使用「知識與常識」,大多找個一樣的型號或類似的來使用,殊不知有很多不知道的問題,影響了你的荷包與最適宜的應用方式。因此個人在此對於接觸許久的相關經驗與知識分享各位了解,也希望能消除市場、外界、消費者許多的不正確的觀念與常識。

鋰類鈕扣式(Coin Type)電池是一般3C產品消費市場常用電池,同類型產品也有圓柱形包裝(如CR1/2A、CR123A、BR2/3A等),鈕扣型電池至今還有不少人將之俗稱「水銀(汞)電池」,但其實是錯誤的! 鋰類3V(Li)與以前水銀1.5V(Hg)無論是尺寸與材料規格完全不同,且早期(十多年前)所謂的「水銀電池」因這幾年環保因素,其實幾乎早都改為「無汞(0%Hg)」甚至「無鉛(Pb)/低鉛/無鎘(Cd)」的綠色環保電池。因此現今與其要用「俗稱」錯誤的「水銀電池」,建議不如用「鈕扣型電池、扣式電池」稱呼會比較正確一點。

[尺寸/規格]
鋰扣式/柱式電池尺寸網路上很多可自行搜尋,包含原廠規格型錄都有,這邊只做個簡單說明:
尺寸/規格編號:電池數字代號一般多以「長x寬 or直徑x厚度(長度)」標示。以CR2032即代表直徑20mm/厚度3.2mm,『CRXXXX、BRXXXX』則是國際電工委員會(IEC 60086)對此類電池的標準定義,其它款特殊電池:VL、ML、LIR等特殊類型充電式則不在IEC60086的標準清單之中。至於電池常應用的IEC/UL/ROHS等標準法規在後續另一篇文章中會介紹說明。

[鋰扣式電池類別]
以市面生活常用的3V鋰扣式電池來看,因材料與型態不同(一次、二次可充)又區分多款規格 :
如:CR(鋰-二氧化錳鋰電池) / BR(鋰-氟化氯碳) / ML(錳-可充式鋰電池) / VL(釩-可充式鋰電池)等等… 除了CR與BR可互用外,基本上這類電池都不建議互相替代使用,尤其是不可用一次電池(CR)去代用二次(ML/VL)可充電池,很多人因為特殊電池不好買(或很貴),就比如拿不可充的電池(如CR)置入可充(ML)電線路中,此恐會造成無法預期的損壞與不良後果。

早期日系電池芯都在日本製造,後因製造成本與市場需求,大多數都轉往大陸、泰國或印尼(當然少數或特殊款電池廠牌仍有Made in Japan),以市場常見Panasonic松下為例,該牌電池的產能、技術、價格與品質等個人認為是業界最高CP值的,不過現今市面流通的松下電池已都是「Made in Indonesia」。

為何個人認為 Panasonic 松下是業界的指標與代表性?目前Sony (Murata)、Renata、VARTA、FDK、Toshiba、Mitsubishi 等等的多廠牌 (印尼製) 部分型號電池多是 Panasonic 印尼廠代工OEM的… 還有部分美系如 ENGREIZER (印尼製)、DURACELL (印尼製) 品牌,所以可想而知松下的製造能力與技術水平,包含近來連「小米」發展推出許多精緻化的生活電子商品所使用的CR2032 (如下圖) 也是由松下代工;也因此為何「特斯拉」的汽車動力電池組會與松下投資合作在美國設廠,就松下它的18650系列也是業界好口碑,市場上也是有極成熟穩定、高品質的占有率,所以就個人角度來評斷除了少數屬「環境極端需求條件」特殊用途電池之外,一般使用選擇松下品牌電池是不二之選。
其次為 maxell (Made in Japan) 也是考量首選,除了日製之外品質也是中規中矩,市售的超霸 (GP) 目前也是由 maxell日本廠代工,零售價格卻不貴。至於 maxell 的陸製品則暫不建議考量。


[小米系列所使用的CR2032/印尼製]

順便一提:Panasonic是「松下電器」,而非「國際牌」,國際牌是 National;National早在2009年海外市場就已全面停止使用(無此商標名稱),因此常在網路上看到非常多人誤用將 Panasonic(松下)=國際牌… 實在有點習慣性的誤解了!

因此選購使用上個人會比較建議以「日系品牌非大陸製造」為優先考量,其次以瑞士的Renata(非陸製)亦可。


【陸製品牌】

大陸扣式電池品牌眾多,大型工廠就那幾間,通常有些訂單量的話要印什麼品牌/LOGO都可客製化,甚至做無牌NB (No brand)。

大陸主要的幾間大廠(台灣常見品牌)分別為 :
億緯鋰能(EVE)、常州金壇超創(SC/CHAO CHUANG)、常洲宇峰(YF)、力佳(LIJIA)、信湖(NEWSUN),基本上品質都差異不太大,但若跟日系(非陸製品)相較才有較大差異。
大陸還有電池(無品牌)或者例如:會打上「LUTIHUM BATTERY リチウムバッテリー」,它只是英/日對照的「鋰電池」可別以為有日文就是日牌或日本製,是毫無關係可別誤認,基本上這款電池大陸很多家工廠都有做/可做(無名主)。

【品質研析與探討】
由於近幾年陸系品牌電池的崛起,以鈕扣式電池來看價格自然也便宜許多…但總是一分錢一分貨,陸系/陸製品除了普遍容量「低標」外,也容易鏽蝕、漏液、沒電;其主要是材料、封裝、清洗製程等條件差異所致。例如:陸製外殼材質,多採用較差不鏽鋼甚至不鏽鐵(外殼),以及品質規格較差的隔離片(Separator)與絕緣膠圈(Gasket)材質。

[CR Series 扣式電池結構]

[CR123A 柱式電池結構]

而電池本身為化學配方,各廠牌都有獨門成分配方+專利技術+嚴謹製程管控+自動化量產=高CP值產物。所以每家設計結構、材質、配方均不同,所產生出的成本也都不一樣…若要與陸製品相較肯定會比較貴些。


如上各家拆解圖可知每家都設計做的不一樣,大顆小顆不同類別(CR/BR/ML/VL) 的電池結構用料也不太一樣。各位請看:Panasonic、FDK、RENATA是不是很像? KTS 與 EVE是不是一樣 (EVE代工) ? 明顯分別是出自同一家工廠線與用料 !
PS:品牌代工分為「材料製程全一樣」(只差印字不同)與「材料製程配方全不同」(全代工) 模式差異。

另外…電池本體有印「JAPAN STD」可不是日本製造喔! 意味著符合「日本標準」,會這樣標基本上都是陸製的電池(只是標榜日規)與日製/日本品牌一點關係也沒有。

【自放電率Self Discharge 與內阻 I.R 特性】
鋰錳扣式電池的「自放電率 Self Discharge」相當低,依各廠商規格不同一般都<1%/1year(日系),也就是在適當的儲存環境得宜下很耐放(例如:在5~30度C內甚至控制在23度C/45~85RH%),或許存放個7~10年也沒問題。


上圖[Panasonic電池] 可知在20度C溫度內的自放電都很低,隨著溫度增大其自放電率也變大,因此若是用在高溫環境下就建議要選擇BR-A高溫電池 ; 也就是「儲存環境溫度」決定了電池損失的多寡。

可是低溫保存是最好嗎? 較高的溫度雖會導致自放電率增加,較低的溫度降低自我放電。 但電池在低溫下儲存則會有些風險,當低溫轉移到溫暖的環境中時,會易因濕氣凝結而短路或過放電現象,甚至過低的低溫也會導致絕緣圈(Gasket)的變形,而有漏液之可能與風險。所以無論儲存也好使用上也好,嚴格來說在適宜的管制條件下,它的品質效益就會越高。儲存環境若在長時間下反覆高溫、低溫、高濕環境下…電池就容易有品質問題。

另外但若是使用薄電池(例如:CR2016~2025厚度=1.6m~2.5mm或直徑越小)就需注意「內阻值I.R(RI)」,基本上電池直徑越小厚度越薄本身內阻值就會越高,隨著置放時間越久或使用越久,內阻就會越來越大。I.R對電池壽命與效能來說是個重要的關鍵,做電池這一行的人都知道電池內阻越小(趨近0Ω最理想),它的「放電效能與壽命」就越好;也就是當內阻大時,電流/電量就不易釋放不出來(能量損失),而優良的內阻特性取決於製程與電解液材料穩定的配方,正常下隨著電池放電(使用)後的化學變化,會導致電解液活性降低界面增大、正極阻抗增大,鋰負極的損耗衰減導致容量下降與放電效能降低,最後就壽終正寢,也因此「使用條件方式與電池品質」決定了電池壽命長短。


上圖為renata參考圖示 : 電壓(v) – 放電時間(h) – 內阻(I.R)的變化影響

內阻這個特性應用在射頻(如:無線、遙控發射器)或LED顯示產品上會更加明顯,例如:LED會不夠亮、遙控距離近等;若量測到電池內阻值太過高的話基本上是可以直接報廢處理了,若是使用在RTC線路中就影響不大。因此個人建議在選購使用上要特別注意「Date Code」製造日期,歐美日系品牌的薄電池儘量選擇1~2年內的最佳,2032以上的大電池3~5年內還算適用期;至於陸系/陸製電池「Date Code」建議一定要選擇一年內的。所以評定一顆電池好壞、使用壽命的長短,除了廠牌、製造地外,其實對於「低內阻值」的慎選才是高於「電壓值」與品牌的一重要的指標。

[量測]
電壓量測O.C.V只需使用三用電錶或簡易的檢測器,內阻值I.R 卻不是用歐姆檔去量測,依標準必須使用專用的內阻計(AC/mΩ),它是利用一固定頻率與定電流(如:1KHz/50mA)來去對電壓進行採樣並計算出該內阻值。對於量測設備這邊提供HIOKI3560/3561型號作參考,它可以直接量測/顯示高準度的電壓與內阻值。

另外若無儀表量測也可參考以下簡易的量測/計算方式 :
對電池先量得(OCV開路電壓值),再施加一個電阻性負載(R1)並測量該負載下電池電壓值(CCV閉路電壓值)。
然後計算如下:內阻Ri =(OCV-CCV)×R1 / CCV。

[電池包裝與加工品]
鈕扣式鋰電池因市場以 Panasonic 為主流,對於銷售包裝有吊卡式 (單顆) 裝與盤裝 (20pcs/1盤工業包) 二種,若以同型號來說基本上電池是一樣的,只是包裝不同,需求多的人建議找代理經銷商買工業包裝比較划算,不過在此特別注意一般消費使用者選購上不要選用到「加工專用電池」 (如下照片樣式)。
何謂加工電池:提供給原廠/加工廠加上「線材或正負焊腳」(英文名如:Battery with tags、Soldered battery、Battery with pins…台灣簡稱打PIN電池),這類松下加工專用電池 (採工業包裝) 本身外殼並沒有「鍍鎳」 (材質表面為stainless不鏽鋼),而一般市售多數大廠牌與標準款電池表層都是有鍍鎳。

為何市售會有「沒鍍鎳」的電池? 原本它是專用於加工電池產品上(非市售/零售用),它是以金屬PIN引腳與接線插頭作為導電的成品,因此對於外殼若再去多加此電鍍成本去「鍍鎳」就顯得沒意義與多餘,所以簡單說「有鍍鎳」的電池成本上就比較貴”一些些”;因此市場少數的採購與消費需求者為了追求「便宜」,就盲目不知情的去選擇了沒鍍鎳的「加工電池」,這個現象也存在許多大公司、廠商之中,這也是說明即便是小小一顆電池,還是很多銷售、採購、RD工程人員都還不清楚它的規格特性,甚至連零售/拍賣市場都不少人在買這款電池。

至於電池鋼殼有無鍍鎳的差異:我們都知道以金屬導性來說:金、銀、銅、鎳「導電性」優於鐵(鋼),即不鏽鋼阻抗大(容易「接觸不良」產生阻抗),理當然不適用於導電介面,所以嚴格來看若將不鏽鋼素材作為電池導電面,當然接觸組抗大、耗電大、電池壽命也就會隨之縮減。

當我們在看以上這問題時,大陸電池反倒是幾乎都會鍍鎳(有點意外吧!),外觀都鍍的超級亮晶晶…難道鎳不用錢嗎(2016年來已漲50%)? 那是因為大陸鋼殼很多是使用較差的不鏽鐵、不鏽鐵(價格便宜),因為容易「生鏽」…所以除了要鍍「鎳」也還要特別鍍「厚」些(約在≧100u”),日系(非陸製)電池則約50u”,有電鍍觀念常識的達人,就會知道「滾鍍」的費用成本是最低與便宜的! 可是若遇到外殼底材較差、電鍍差、製程不良又受溫濕度影響時,這類電池就容易鏽蝕導致漏液不良。不過Panasonic電池即便沒鍍鎳,但因為鋼殼使用品質高的SUS304等級材料,基本上要鏽蝕也很難!

【電池加工品】
正常而言要將PIN與線材焊到電池上,原廠多採用自動化生產的「雷射點焊」焊接,其它加工/代工廠則是多採用人工作業的「電阻焊」來焊接正負極。我在網路上看到很多自認 DIY「高手」,天真的就將焊片、線材用電烙鐵「焊錫」加熱的方式直接焊接在電池正/負及表面上(包含圓柱式電池),且還會説要用「高瓦(W)特數」的電烙鐵去焊喔…這要是電池它會說話,八成就會說「燙死(我)了」,沒外傷也內傷…。基本理由很簡單,正/負極的內外"絕緣材質"基本上就是塑膠類 (P.P),了不起使用更好的材質 (或高溫電池) 可以耐較高的溫度,但電烙鐵一開起碼250℃以上,尤其是近年來使用無鉛焊錫工作溫度更高,可想而知,當您的烙鐵溫度+長時間加在金屬外殼上時的”瞬間導熱”有多快! 而金屬外殼相接於正負極絕緣的塑膠材料 (Gasket & Separator) 遇此高溫時會如何? 當然就變形、熱熔損壞囉,當破壞密封包裝結構後,再來久了就慢慢的就產生漏液鏽蝕…且越小顆電池影響越嚴重! 因此在此勸諫各位網路DIY高手們,千萬不要用非專業的手法使用電烙鐵去焊接各款電池;可以的話最好還是交由專業點焊商幫您焊上焊片為宜,不然就是建議使用電池座 (Holder&Clip)再另焊引線。

 

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<<待續篇>>
【電池篇-鋰電池】基本認識與產地(CR鋰二氧化錳, BR氟化碳鈕池, 可充電池: VL,ML,LIR)
【電池篇-鋰電池】基本規格與特性(CR鋰二氧化錳, BR氟化碳鈕電池, 可充電池: VL,ML,LIR)

 


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