本文最初刊载于 The Conversation。
如果你最近翻看过家里的工具抽屉，可能会注意到那些为你的电子设备供电的电池，它们形状、尺寸和类型各不相同。首先，有用于手表和小物件的圆形、不可充电的纽扣电池。还有计算器、时钟和遥控器常用的AA和AAA圆柱形电池。然后，你的笔记本电脑和手机里有可充电的锂离子电池。别忘了你汽车里的铅酸电池。
我是一名研究电池和电化学的教授。要理解为什么电池会有许多不同尺寸和形状——以及服务于多种目的——你需要回顾过去，看看电池是如何起源以及多年来是如何发展的。
第一批电池制造于19世纪，它们非常简单。最早的演示之一是由意大利科学家亚历山德罗·伏特发现的，他用浸泡在盐水中的一系列金属圆盘产生了电流。第一块铅酸电池是用几块铅浸泡在硫酸罐中制成的。现代版本并没有太大区别。只是更容易制造，并且含有各种添加剂以提高性能。
在所有情况下，电池的工作原理都是相同的：两个不同电极之间的电压差会产生电流，该电流可以被释放以驱动设备。然后，可充电电池可以通过反向电流来充电。在电池内部，电流伴随着离子通过液体电解质的流动。
每通过一个电子的电流都伴随着一个离子的通过电解质的传输。能够储存更多离子的电极能够制造出储存电荷更多的电池，从而一次充电能使用更长时间。为更快离子储存而设计的电极能够制造出能更快放电的电池，适用于高功率应用。最后，能够多次充电和放电而不发生退化，则能延长电池的寿命。
铅酸电池
铅酸电池是第一种可充电电池，于1859年由加斯东·普朗泰发明，他曾用酸溶液中的铅板进行实验，发现电流的流动和储存可以被逆转。
铅酸电池必须足够大，才能为启动汽车提供足够的电量。它还必须能在寒冷气候下使用，并能持续多年。由于电解质是腐蚀性酸，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。考虑到所有这些，现代铅酸电池之所以笨重而沉重，也就不足为奇了。
碱性电池
另一方面，计算器和电子秤等家用设备可以使用小型电池，因为它们不需要太多电量。这些主要是不可充电的碱性电池，已经使用了几十年。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等多种。尺寸与其储存的电量有关——电池越大，储存的电量越多——以及它们所驱动设备的尺寸。
有时，你可能会发现碱性电池以矩形出售，例如常见的9伏电池，但打开外壳你会发现，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，因此制造商没有理由制造其他形状——改变制造设施需要投资，而他们宁愿不这样做。
锂离子电池
镍镉电池是第一种广泛用于家用电子产品的可充电电池，并在20世纪末流行。但它们也有缺点。镉有剧毒，而且电池存在“记忆效应”，这会缩短它们的寿命。
几十年来，由于锂作为一种轻质金属具有独特的储能特性，一直在研究其在可充电电池中的潜在用途。索尼于1991年首次将锂离子电池商业化。
该公司生产圆柱形电池，因为它们最容易制造。在20世纪90年代，索尼生产了大量摄像机和录像带，因此拥有大量用于卷对卷制造的设备。将这些设备重新用于生产电池电极卷是很自然的，电池电极是通过在铜或铝片上铸造薄膜然后将其卷成“果酱卷”圆柱体来制造的。
这些圆柱形电池厚实的外壳在机械上很坚固，并且为了增加一层安全性，它们有一个压力释放阀。很快，这些早期的锂离子电池就占据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储存的能量更多，寿命也更长。
塑造电池形状的因素
电池之所以尺寸和形状各异，是出于成本和可制造性的考虑，但在其他情况下，则是由于历史悠久的制造工艺。市场需求也起着作用。
例如，直到特斯拉开始制造使用圆柱形锂离子电池的汽车，而不是其他电动汽车制造商使用的矩形袋式或棱柱形电池，电动汽车才开始普及。袋式和棱柱形电池可以紧密堆叠，但由于圆柱形电池已经为便携式电子产品大规模生产，特斯拉能够在21世纪10年代制造出成本更低的电动汽车。
未来电池的形状和尺寸不仅取决于它们储存多少能量，还取决于市场经济——每种电池的易制造性、制造成本以及用途。这些因素是创新和历史的结合。
披露：Wesley Chang 获得 SolidEnergy Systems 和 Electric Power Research Institute 的资助。
