الدليل الشامل للبطاريات الأسطوانية الليثيوم-أيون: الأنواع، والأداء، والتطبيقات

تنقسم البطاريات الليثيومية الأسطوانية إلى أنظمة مختلفة مثل فوسفات الحديد الليثيوم، وأكسيد الكوبالت الليثيوم، وأكسيد المنغنيز الليثيوم، والهجين الكوبالت-منغنيز، والمواد الثلاثية. وتنقسم الغلافات إلى غلاف فولاذي وغلاف بوليمر. ولكل نظام مادي مزايا مختلفة.

القائمة الكاملة لموديلات البطاريات الليثيوم الأسطوانية

نموذج الخلية	الجهد الاسمي	السعة (مللي أمبير ساعة)	درجة حرارة الشحن (°م)	درجة حرارة التفريغ (°م)	تيار الشحن (أمبير)	تيار التفريغ (A)
ICR18650 (ثلاثي)	3.7V	2200	0~45	-40~+60	2.2 أمبير (درجة حرارة الغرفة 1C)	10 أمبير (درجة الحرارة العادية 5C)
ICR18650 (ثلاثي)	3.7V	2500	0~45	-40~+60	2.5 أمبير (درجة حرارة الغرفة 1C)	25أ (درجة حرارة الغرفة 10°م)
ICR18650 (ثلاثي)	3.7V	3000	0~45	-40~+60	3.0أ (درجة الحرارة العادية 1ج)	15أ (5°م)
ICR21700 (ثلاثي)	3.7V	4000	0~45	-40~+60	4.0أ (درجة الحرارة العادية 1ج)	40أ (درجة الحرارة العادية 10ج)
NCR18650B (ثلاثي)	3.6 فولت	3350	0~45	-20~60	1.625أ	4.875أ
INR18650-30Q (ثلاثي)	3.6 فولت	3000	0~45	-20~75	0.5C	15 أمبير
IFR26650 (فوسفات الحديد الليثيوم)	3.2 فولت	3200	-20~+45	-40~+60	3.2A (درجة حرارة الغرفة 1C)	10A (درجة حرارة الغرفة 3C)
IFR32700 (فوسفات الحديد الليثيوم)	3.2 فولت	5000	-20~+45	-40~+60	5.0A (الدرجة الحرارية العادية 1C)	25A (5°C)
IFR26650 E3400	3.2 فولت	3400	0~60	-10~60	2.0A	10.2A

أولاً. ما هي البطارية الليثيومية الأسطوانية؟

1. تعريف البطارية الأسطوانية

تُصنف البطاريات الليثيومية الأسطوانية إلى أنظمة مختلفة، منها فوسفات الليثيوم الحديدي، وأكسيد الليثيوم الكوبالتي، وأكسيد الليثيوم المنجانيزي، والهجين الكوبالت-منجنيز، والمواد الثلاثية. وتتوفر أغلفة هذه البطاريات بنوعين: من الصلب وبوليمر، ولكل نوع ميزاته الخاصة. حاليًا، تُعد البطاريات الأسطوانية الليثيومية من فوسفات الحديد مع أغلفة فولاذية هي الأكثر شيوعًا. وتتميز هذه البطاريات بمزايا مثل السعة العالية، والجهد العالي للإخراج، وأداء جيد في دورة الشحن والتفريغ، واستقرار الجهد الخارج، وقدرة عالية على التفريغ بتيار كبير، والأداء الكهروكيميائي المستقر، والسلامة، ومدى واسع لدرجة حرارة التشغيل، والود البيئي. وتُستخدم على نطاق واسع في إنارة الطاقة الشمسية، وإنارة المسطحات الخضراء، والطاقة الاحتياطية، والأدوات الكهربائية، ونماذج الألعاب.

2. هيكل البطارية الأسطوانية

تشمل بنية البطارية الأسطوانية النموذجية: الغلاف، الغطاء، القطب الموجب، القطب السالب، الفاصل، الإلكتروليت، عنصر PTC، الحشوة، صمام الأمان، إلخ. عمومًا، يكون غلاف البطارية هو القطب السالب، والغطاء هو القطب الموجب. ويُصنع غلاف البطارية من فولاذ مطلي بالنيكل.

3. مزايا بطاريات الليثيوم الأسطوانية

مقارنةً ببطاريات الليثيوم اللينة (Pouch) والبطاريات الرباعية (Prismatic)، تمتلك بطاريات الليثيوم الأسطوانية أطول تاريخ تطوير، ودرجة أعلى من التوحيد القياسي، وتكنولوجيا أكثر نضجًا، ومعدل إنتاج أعلى، وتكلفة أقل.

عملية إنتاج ناضجة، وتكلفة حزم (PACK) منخفضة، ومعدل إنتاج مرتفع للمنتج، وأداء جيد في تبديد الحرارة.

لقد أنشأت البطاريات الأسطوانية سلسلة من المواصفات والمقاييس الموحّدة دوليًا، مع تكنولوجيا ناضجة تصلح للإنتاج المستمر بكميات كبيرة. ويتميز الشكل الأسطواني بمساحة سطحية نوعية كبيرة، مما يؤدي إلى تبديد حرارة جيد.

البطاريات الأسطوانية هي عمومًا بطاريات مغلقة، ولا توجد مشكلة صيانة أثناء الاستخدام.

غلاف البطارية يتمتع بمقاومة عالية للضغط ولن يظهر عليه ظواهر مثل الانتفاخ كما هو الحال في البطاريات المربعة أو ذات الحزمة اللينة أثناء الاستخدام.

4. مادة كاثود البطارية الأسطوانية

حاليًا، تشمل مواد الكاثود الرئيسية للبطاريات الأسطوانية التجارية بشكل رئيسي أكسيد الليثيوم-الكوبالت (LiCoO₂)، وأكسيد الليثيوم-المنغنيز (LiMn₂O₄)، والليثيوم الثلاثي (NMC)، وفوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO₄). ولأنظمة المواد المختلفة خصائص مختلفة، كما هو موضح بالمقارنة أدناه:

مشروع	أكسيد الليثيوم-الكوبالت (LiCoO₂)	الليثيوم الثلاثي (LiNiCoMnO₂)	أكسيد الليثيوم-المنغنيز (LiMn₂O₄)	ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO₄)
الكثافة بعد الضغط (غ/سم³)	2.8~3.0	2.0~2.3	2.2~2.4	1.0~1.4
المساحة السطحية النوعية (م²/غ)	0.4~0.6	0.2~0.4	0.4~0.8	12~20
السعة (ملّي أمبير ساعة/غ)	135~140	140~180	90~100	130~140
منسوب الجهد (فولت)	3.7	3.5	3.8	3.2
الأداء الدوري	≥500 مرة	≥500 مرة	≥300 مرة	≥2000 مرة
تكاليف المواد الخام	عالي (محتوى الكوبالت)	عالي (يحتوي على النيكل والكوبالت)	منخفض	منخفض
الحماية البيئية	يحتوي على الكوبالت (ودودة البيئة منخفضة)	يحتوي على النيكل والكوبالت (الحماية البيئية الصينية)	غير سام	غير سام
الأداء الأمني	فقراء	أفضل	جيد	ممتاز
AREAS التطبيق	بطاريات صغيرة	بطارية طاقة صغيرة	بطاريات الطاقة، بطاريات منخفضة التكلفة	بطاريات الطاقة/مصدر طاقة فائق السعة
الميزة	البطاريات الصغيرة والمتوسطة الحجم تتمتع بأداء مستقر	أداء كهروكيميائي مستقر	الموارد المتوفرة من المنغنيز وفيرة ومنخفضة التكلفة	عالية الأمان وذات عمر افتراضي طويل
نقص	سعر الكوبالت مرتفع وعمر الدورة قصير نسبيًا	الكوبالت والنيكل مكلفان	كثافة طاقة منخفضة	أداء ضعيف في درجات الحرارة المنخفضة

5. مادة الأنود للبطاريات الأسطوانية

يمكن تقسيم مواد أنود البطاريات الأسطوانية بشكل عام إلى ستة أنواع: مواد أنود كربونية، مواد أنود سبائك، مواد أنود قاعدة القصدير، مواد أنود نيتريد المعادن الانتقالية المحتوية على الليثيوم، المواد النانوية، ومواد الأنود النانوية.

المواد النانوية الكربونية لأنود البطاريات: حاليًا، تُعدّ مواد الأنود المستخدمة فعليًا في بطاريات الليثيوم أيون مواد كربونية أساسًا، مثل الجرافيت الصناعي، والجرافيت الطبيعي، وكرات الكربون ميسوفازية، والفحم البترولي، والألياف الكربونية، والكربون الناتج من راتنجات الانحلال الحراري، إلخ.

تشمل مواد الأقطاب السالبة القائمة على السبائك: سبائك القصدير، وسبائك السيليكون، وسبائك الجرمانيوم، وسبائك الألومنيوم، وسبائك الأنتيمون، وسبائك المغنيسيوم، وسبائك أخرى. حاليًا، لا توجد منتجات متاحة تجاريًا.

مواد الأقطاب السالبة القائمة على القصدير: يمكن تقسيم مواد الأقطاب السالبة القائمة على القصدير إلى نوعين: أكاسيد القصدير والمركبات الكسيدة القائمة على القصدير. وتشير الكسائد إلى أكاسيد القصدير المعدني بحالات تكافؤ مختلفة. حاليًا، لا توجد منتجات متاحة تجاريًا.

حاليًا، لا توجد مواد قطب سالب قائمة على نيتريد المعادن الانتقالية للليثيوم متاحة تجاريًا.

المواد النانوية: أنابيب الكربون النانوية، ومواد السبائك النانوية.

المواد النانوية للأقطاب السالبة: المواد النانوية الكسيدة

 

ثانيًا. خلايا البطاريات الليثيومية الأسطوانية

1. علامات تجارية لخلايا الليثيوم الأسطوانية

تُعد البطاريات الليثيومية الأسطوانية شائعة بين شركات البطاريات الليثيومية في اليابان وكوريا الجنوبية، كما توجد عدد كبير من الشركات في الصين تُنتج بطاريات ليثيومية أسطوانية. تم اختراع أول بطارية ليثيومية أسطوانية بواسطة شركة سوني اليابانية في عام 1992.

من أبرز العلامات التجارية المعروفة لخلايا البطاريات الليثيومية الأسطوانية: سوني، وباناسونيك، وسانيو، وسامسونج، ول جي، ووانشييانغ A123، وBAK، وLishen.

 

2. أنواع خلايا الليثيوم أيون الأسطوانية

عادةً ما تُمثل خلايا الليثيوم أيون الأسطوانية بخمسة أرقام. عند العد من اليسار، يشير الرقمان الأولان إلى قطر البطارية، والرقمان الثالث والرابع يشيران إلى ارتفاع البطارية، بينما يشير الرقم الخامس إلى أن الخلية دائرية الشكل. توجد العديد من موديلات البطاريات الليثيومية الأسطوانية، ومن بين الموديلات الشائعة: 10400، و14500، و16340، و18650، و21700، و26650، و32650.

① بطارية 10440:
بطارية 10440 هي بطارية ليثيوم قطرها 10 مم وارتفاعها 44 مم، وهي نفس الحجم الذي نطلق عليه عادةً "بطارية حجم 7". تكون سعة هذا النوع من البطاريات عادةً صغيرة جدًا، وتتراوح فقط على بضع مئات من الملي أمبير في الساعة، وتُستخدم بشكل رئيسي في المنتجات الإلكترونية الصغيرة، مثل المصابيح اليدوية، والسماعات الصغيرة، ومكبرات الصوت.

② بطارية 14500:
بطارية 14500 هي بطارية ليثيوم قطرها 14 مم وارتفاعها 50 مم. تكون جهدة هذا النوع من البطاريات عادةً 3.7 فولت أو 3.2 فولت، مع سعة اسميّة صغيرة نسبيًا، أكبر قليلًا من بطارية 10440، وعادةً ما تكون 1600 ملي أمبير في الساعة. وتتميز بأداء تفريغ ممتاز، وتُستخدم بشكل رئيسي في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، مثل السماعات اللاسلكية، والأجهزة الكهربائية اللعب، والكاميرات الرقمية.

③ بطارية 16340.
بطارية 16340 هي بطارية ليثيوم قطرها 16 مم وارتفاعها 34 مم. وبسبب ارتفاعها القصير نسبيًا وقدرتها الكبيرة نسبيًا، تُستخدم هذه البطارية غالبًا في المصابيح القوية، ومصابيح LED، والكشافات، وأضواء الليزر، وأجهزة الإضاءة الأخرى.

④ بطارية 18650:
بطارية 18650 هي بطارية ليثيوم قطرها 18 مم وارتفاعها 65 مم. أهم ما يميزها هو كثافتها العالية جدًا للطاقة، والتي تصل إلى حوالي 170 واط ساعة/كغ. وبالتالي، تُعد هذه البطارية اقتصادية من حيث التكلفة. معظم البطاريات التي نراها في حياتنا اليومية تكون من هذا النوع لأنها بطارية ليثيوم ناضجة نسبيًا، وتتمتع بجودة واستقرار جيدين في جميع الجوانب. وتُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات سعة البطارية التي تبلغ حوالي 10 كيلو واط ساعة، مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة الإلكترونية الصغيرة الأخرى.

⑤ بطارية 21700:
بطارية 21700 هي بطارية ليثيوم قطرها 21 مم وارتفاعها 70 مم. وبفضل حجمها الأكبر، تتحسن نسبة استغلال المساحة، ويمكن زيادة كثافة الطاقة في الخلايا الفردية والنظام. إن كثافة الطاقة الحجمية لها أعلى بكثير من بطارية 18650. وتُستخدم على نطاق واسع في المنتجات الرقمية، والمركبات الكهربائية، ووسائط التوازن، وأعمدة الإنارة الشمسية بالبطاريات الليثيومية، ومصابيح LED، والأدوات الكهربائية، إلخ.

⑥ بطارية 26650:
بطارية 26650 هي بطارية ليثيوم قطرها 26 مم وارتفاعها 65 مم. ولها جهد اسمي قدره 3.2 فولت وقدرة اسمية تبلغ 3200 ملي أمبير في الساعة. تتميز هذه البطارية بسعة ممتازة واتساق عالٍ، وبدأت تدريجيًا باستبدال بطاريات 18650. كما أن العديد من المنتجات في مجال بطاريات الطاقة تميل تدريجيًا إلى هذا النوع.

⑦ بطارية 32650
بطارية 32650 هي بطارية ليثيوم قطرها 32 مم وارتفاعها 65 مم. تتميز هذه البطارية بقدرة قوية على التفريغ المستمر، وبالتالي فهي أكثر ملاءمة للألعاب الكهربائية، والطاقة الاحتياطية، وبطاريات نظام التشغيل المتواصل (UPS)، وأنظمة توليد الطاقة بالرياح، وأنظمة توليد الطاقة الهجينة التي تعتمد على الرياح والطاقة الشمسية.

ثالثاً: تطور سوق البطاريات الليثيومية الأسطوانية

تنبع التطورات في تقنية البطاريات الليثيومية الأسطوانية بشكل أساسي من الأبحاث المبتكرة وتطبيق المواد الأساسية للبطارية. ويؤدي تطوير مواد جديدة إلى تحسين أداء البطارية ورفع جودتها وتقليل التكاليف وتحسين السلامة. ولتلبية متطلبات التطبيقات السفلية من حيث طاقة وحدة البطارية الأعلى، يتم ذلك من خلال استخدام مواد ذات سعة وحدة عالية، وكذلك زيادة جهد الشحن من خلال اعتماد مواد تعمل عند فولتية عالية.

لقد تطورت البطاريات الأسطوانية الليثيوم-أيون من بطارية 14500 إلى بطارية تسلا 21700. وفي المدى القريب والوسيط، وبالإضافة إلى تحسين تقنيات بطاريات الليثيوم-أيون الحالية لتلبية احتياجات التطوير الواسع النطاق للمركبات الكهربائية، يتركز التركيز على تطوير بطاريات ليثيوم-أيون جديدة، وتحسين سلامتها واتساقها وطول عمرها، إلى جانب إجراء أبحاث وتطوير استباقية لأنظمة بطاريات كهربائية جديدة.

بالنسبة للتطور المتوسط والطويل الأمد للبطاريات الأسطوانية الليثيوم-أيون، فإنه أثناء الاستمرار في تحسين وتطوير بطاريات الليثيوم-أيون الجديدة، سيكون التركيز على تطوير أنظمة بطاريات كهربائية جديدة لتحسين الطاقة النوعية بشكل كبير، وتقليل التكاليف بشكل كبير، وتحقيق التطبيق العملي والتطبيق الواسع النطاق لأنظمة بطاريات كهربائية جديدة.