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如果你最近查看过你的杂物抽屉，你可能会注意到为你的电子设备供电的各种形状、尺寸和类型的电池。首先，有用于手表和小物件的圆形、不可充电的纽扣电池。还有用于计算器、时钟和遥控器的流行的 AA 和 AAA 圆柱形电池。然后是笔记本电脑和手机中的可充电锂离子电池。别忘了你汽车里的铅酸电池。
我是一位研究电池和电化学的教授。要理解为什么电池有这么多不同的尺寸和形状——并且服务于多种用途——请回顾过去，看看电池是如何起源的，以及它们多年来是如何发展的。
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第一批电池是在 19 世纪制造的，它们非常简单。最早的演示之一是一系列浸泡在盐水中的金属圆盘，意大利科学家亚历山德罗·伏特发现它可以产生电流。第一个铅酸电池是由一个装在硫酸罐中的几个铅片制成的。现代版本并没有太大不同。它们只是更容易制造，并且包含各种添加剂以提高性能。
在所有情况下，电池的工作方式都相同：两个不同电极之间的电压差产生电流，电流可以放电以驱动设备。可充电电池随后可以反转此电流以重新充电。在电池内部，电流伴随着离子通过液体电解质的流动。
电流中每个电子的通过都伴随着一个离子通过电解质的传输。可以存储更多离子的电极可以制造出可以容纳更多电荷的电池，因此单次充电后可以使用更长时间。为更快离子存储而设计的电极可以制造出可以更快放电的电池，用于高功率应用。最后，能够多次充电和放电而不会退化，可以制造出寿命长的电池。
铅酸电池
铅酸电池是 1859 年由加斯顿·普兰特发明的第一个可充电电池，他用酸性溶液中的铅板进行实验，发现电流的流动和存储可以逆转。
铅酸电池必须足够大，才能提供足够的电量来启动汽车。它还必须在寒冷的气候中可用，并且可以使用多年。由于电解液是腐蚀性酸，外部外壳必须坚固，以保护人和汽车零件免受任何可能的伤害。了解了这一切，现代铅酸电池体积庞大且笨重就很有道理了。
碱性电池
另一方面，像计算器和数字秤这样的家用设备可以使用较小的电池，因为它们不需要大量电荷。这些主要是已经使用了几十年的不可充电碱性电池。标准化的电池尺寸有 AAAA、AAA、AA、C 和 D，以及纽扣电池和硬币电池以及许多其他尺寸。尺寸与它们存储的电荷量有关——电池越大，它容纳的电荷就越多——以及它们供电设备的尺寸。
有时，您可能会发现以矩形形状出售的碱性电池，例如常见的 9 伏电池，但是打开外壳后，您会发现它们只是内部连接在一起的几个圆柱形电池。圆柱形电池已经存在很长时间并且被广泛使用，以至于公司制造任何不同的电池都没有意义——这将需要投资来改造他们的制造工厂，这是他们宁愿不做的事情。
锂离子电池
镍镉电池是第一批广泛用于家用电子产品的可充电电池，在 20 世纪末非常流行。但它们也有缺点。镉毒性很大，而且电池有“记忆效应”，这会缩短其寿命。
几十年来，锂因其作为一种轻质金属的独特特性而被研究用于可充电电池，它可以存储大量能量。索尼于 1991 年首次将锂离子电池商业化。
该公司制造圆柱形电池，因为这些电池最容易制造。在 20 世纪 90 年代，索尼生产了大量的摄像机和磁带，因此拥有大量的卷对卷制造设备。很自然地，重新利用这些设备来生产成卷的电池电极，这些电极是通过在铜或铝片上浇铸薄膜，然后将它们卷成“果冻卷”圆筒制成的。
这些圆柱形电池的厚外壳在机械上很坚固，为了增加一层安全性，它们还配备了压力释放阀。很快，这些早期的锂离子电池就占领了便携式电子产品市场，尤其是笔记本电脑和手机，因为它们比镍镉可充电电池存储更多的能量并且使用寿命更长。
影响电池形状的因素
出于成本和可制造性的原因，电池被制造成特定的尺寸和形状，但在其他情况下，则是由于遗留的制造工艺。市场需求也发挥着作用。
例如，在特斯拉开始使用圆柱形锂离子电池而不是其他电动汽车制造商使用的矩形软包或方形电池来制造汽车之前，电动汽车并没有起飞。软包电池和方形电池可以紧密地堆叠在一起，但由于圆柱形电池已经为便携式电子产品批量生产，特斯拉能够在 2010 年代制造出成本更低的电动汽车。
未来电池将采用什么形状和尺寸，不仅取决于它们存储多少能量，还取决于市场经济——每种类型的电池有多容易制造，制造成本是多少以及它们的用途是什么。这些因素是创新和历史的结合。
本文最初发表于 The Conversation。阅读原文。