Kompletní průvodce válcovými Li-ion bateriemi: typy, výkon a aplikace

Válcové lithiové baterie jsou rozděleny do různých systémů, jako jsou lithium-železo-fosfát, lithný kobalt oxid, lithný mangan oxid, kobal-mangan hybrid a ternární materiály. Skříň je rozdělena na ocelovou a polymerovou. Různé materiálové systémy mají různé výhody.

Kompletní seznam modelů válcových lithiových baterií

Buněčný model	jmenovité napětí	Kapacita (mAh)	Teplota nabíjení (°C)	Teplota vybíjení (°C)	Nabíjecí proud (A)	Vybojní proud (A)
ICR18650 (Ternární)	3.7V	2200	0~45	-40~+60	2,2 A (pokojová teplota 1C)	10 A (normální teplota 5C)
ICR18650 (Ternární)	3.7V	2500	0~45	-40~+60	2,5 A (pokojová teplota 1C)	25A (pokojová teplota 10°C)
ICR18650 (Ternární)	3.7V	3000	0~45	-40~+60	3,0A (normální teplota 1C)	15A (5°C)
ICR21700 (Ternární)	3.7V	4000	0~45	-40~+60	4,0A (normální teplota 1C)	40A (normální teplota 10C)
NCR18650B (Ternární)	3,6V	3350	0~45	-20~60	1,625A	4,875A
INR18650-30Q (Ternární)	3,6V	3000	0~45	-20~75	0,5 C	15A
IFR26650 (lithium-železo-fosfát)	3,2 V	3200	-20~+45	-40~+60	3,2 A (pokojová teplota 1C)	10 A (pokojová teplota 3C)
IFR32700 (lithium-železo-fosfát)	3,2 V	5000	-20~+45	-40~+60	5,0 A (normální teplota 1C)	25 A (5°C)
IFR26650 E3400	3,2 V	3400	0~60	-10~60	2.0A	10.2A

I. Co je válcová lithiová baterie?

1. Definice válcové baterie

Válcové lithiové baterie jsou rozděleny do různých systémů, včetně fosforečnanu lithno-železnatého, oxidu lithno-kobaltového, oxidu lithno-manganového, kobalto-manganové hybridní verze a trojnásobných materiálů. Skříně jsou dostupné ve verzích ocelových i polymerových, každá s vlastními výhodami. V současnosti jsou nejrozšířenější válcové baterie typu fosforečnan lithno-železnatý s ocelovým pouzdrem. Tyto baterie nabízejí výhody jako vysoká kapacita, vysoké výstupní napětí, dobrý výkon nabíjecího a vybíjecího cyklu, stabilní výstupní napětí, schopnost vybíjet se vysokým proudem, stabilní elektrochemický výkon, bezpečnost, široký provozní teplotní rozsah a ekologickost. Jsou široce využívány v solárním osvětlení, osvětlení trávníků, záložních zdrojích, nářadí na elektrický pohon a hračkách.

2. Stavba válcové baterie

Typická válcová bateriová konstrukce zahrnuje: pouzdro, uzávěr, kladnou elektrodu, zápornou elektrodu, separátor, elektrolyt, PTC prvek, těsnění, pojistný ventil atd. Obvykle je bateriové pouzdro zápornou elektrodou a uzávěr je kladnou elektrodou. Bateriové pouzdro je vyrobeno z niklem pokryté oceli.

3. Výhody válcových lithiových baterií

Ve srovnání s flexibilními a hranolovými lithiovými bateriemi mají válcové lithiové baterie nejdelší vývojovou historii, vyšší míru standardizace, zralou technologii, vyšší výtěžnost a nižší náklady.

Zralý výrobní proces, nízké náklady na sestavení (PACK), vysoká výtěžnost bateriových produktů a dobrý odvod tepla.

Válcové baterie mají navrženou řadu mezinárodně sjednocených standardních specifikací a modelů, technologie je zralá a vhodná pro masovou spojitou výrobu. Válcový tvar má velký měrný povrch, což zajišťuje dobré odvádění tepla.

Válcové baterie jsou obecně uzavřené baterie a během používání nevyžadují údržbu.

Koš baterie má vysokou odolnost proti tlaku a během provozu nedochází k jevům, jako je například deformace u hranatých nebo měkkých baterií.

4. Katodový materiál válcové baterie

V současnosti se jako hlavní komerční katodové materiály pro válcové baterie používají oxid kobaltu lithného (LiCoO₂), oxid manganu lithný (LiMn₂O₄), trojnásobný lithný materiál (NMC) a fosfát železitý lithný (LiFePO₄). Různé materiálové systémy mají odlišné vlastnosti, které jsou porovnány níže:

projekt	Oxid kobaltu lithný (LiCoO₂)	Trojnásobný lithný materiál (LiNiCoMnO₂)	Oxid manganu lithný (LiMn₂O₄)	Lithium Iron Phosphate (LiFePO₄)
Udusaná hustota (g/cm³)	2.8~3.0	2.0~2.3	2.2~2.4	1.0~1.4
Měrný povrchový obsah (m²/g)	0.4~0.6	0.2~0.4	0.4~0.8	12~20
Kapacita (mAh/g)	135~140	140~180	90~100	130~140
Napěťová plateau (V)	3.7	3.5	3.8	3.2
Cyklický výkon	≥500krát	≥500krát	≥300 krát	≥2000 krát
Náklady na suroviny	Vysoký (obsah kobaltu)	Vysoký (obsahuje nikl a kobalt)	nízká	nízká
OCHRANA ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ	Obsahuje kobalt (nízká ekologická přijatelnost)	Obsahuje nikl a kobalt (čínská ochrana životního prostředí)	Není toxické	Není toxické
Bezpečnostní výkony	Chudák.	lepší	dobrá	vynikající
Oblasti použití	Malé baterie	Malá trakční baterie	Trakční baterie, levné baterie	Trakční baterie/ultra velké kapacitní zdroje
výhoda	Malé a střední baterie mají stabilní výkon	Stabilní elektrochemický výkon	Manganové suroviny jsou hojné a nízké náklady	Vysoká bezpečnost a dlouhá životnost
nevýhody	Vysoká cena kobaltu a nízká cyklová životnost	Kobalt a nikl jsou drahé	Nízká hustota energie	Špatný výkon při nízkých teplotách

5. Anodový materiál pro válcové baterie

Anodové materiály pro válcové baterie lze hrubě rozdělit na šest typů: uhlíkové anodové materiály, slitinové anodové materiály, cínové anodové materiály, lithiem obsahující anodové materiály na bázi přechodných kovů, nanoměřítkové materiály a nano anodové materiály.

Uhlíkové nanoměřítkové anodové materiály: V současnosti jsou anodové materiály skutečně používané ve lithium-iontových bateriích v podstatě uhlíkové materiály, jako umělý grafit, přírodní grafit, mezofázní uhlíkové mikrokuloviny, ropný koks, uhlíkové vlákno, karbonizovaný pryskyřice atd.

Anodové materiály na bázi slitin zahrnují cínové slitiny, křemičité slitiny, germaniové slitiny, hliníkové slitiny, antimonové slitiny, hořečnaté slitiny a další slitiny. V současné době nejsou k dispozici žádné komerčně dostupné produkty.

Cínové anodové materiály: Cínové anodové materiály lze rozdělit na dva typy: cínové oxidy a cínové kompozitní oxidy. Oxidy označují oxidy kovového cínu v různých oxidačních stavech. V současné době nejsou k dispozici žádné komerčně dostupné produkty.

V současné době nejsou k dispozici žádné komerčně dostupné anodové materiály na bázi lithných přechodných kovových nitridů.

Nanomateriály: uhlíkové nanotrubice, nano-slitiny

Nano-anodové materiály: nano-oxidové materiály

 

II. Válcové lithiové bateriové články

1. Značky válcových lithiových iontových článků

Válcové lithiové baterie jsou oblíbené mezi výrobci lithiových baterií v Japonsku a Jižní Koreji, a také v Číně existuje značný počet společností vyrábějících válcové lithiové baterie. První válcovou lithiovou baterii vynalezla v roce 1992 japonská společnost Sony.

Mezi známé značky válcových lithium-iontových článků patří: Sony, Panasonic, Sanyo, Samsung, LG, Wanxiang A123, BAK a Lishen.

 

2. Typy válcových lithium-iontových článků

Válcové lithium-iontové články jsou obvykle označeny pěti číslicemi. Počítáno zleva, první dvě číslice udávají průměr baterie, třetí a čtvrtá číslice udávají výšku baterie a pátá číslice znamená, že článek je kruhový. Existuje mnoho modelů válcových lithiových baterií, běžné jsou například 10400, 14500, 16340, 18650, 21700, 26650 a 32650.

① Baterie 10440:
Baterie 10440 je lithiová baterie o průměru 10 mm a výšce 44 mm, stejné velikosti jako baterie, které obvykle označujeme jako „baterii č. 7“. Tento typ baterie má obecně velmi malou kapacitu, jen několik set mAh, a používá se hlavně v mini elektronických zařízeních, jako jsou svítilny, miniaturní reproduktory a megafony.

② Baterie 14500:
Baterie 14500 je lithiová baterie o průměru 14 mm a výšce 50 mm. Tento typ baterie má obvykle napětí 3,7 V nebo 3,2 V a relativně malou jmenovitou kapacitu, o něco větší než baterie 10440, obvykle 1600 mAh. Vyniká výkonem při vybíjení a používá se hlavně v spotřební elektronice, jako jsou bezdrátové reproduktory, elektrické hračky a digitální fotoaparáty.

③ Baterie 16340.
Baterie 16340 je lithiová baterie o průměru 16 mm a výšce 34 mm. Díky menší výšce a relativně velké kapacitě se tento typ baterie často používá v silně osvětlovacích zařízeních, jako jsou silné baterky, LED baterky, čelovky, laserové světla a jiná osvětlení.

④ Baterie 18650:
Baterie 18650 je lithiová baterie o průměru 18 mm a výšce 65 mm. Její největší výhodou je velmi vysoká hustota energie, která činí téměř 170 Wh/kg. Tento typ baterie je proto cenově výhodný. Většina baterií, které běžně vidíme v každodenním životě, patří do této kategorie, protože se jedná o poměrně zralý typ lithiové baterie s dobrým systémovým kvalitním provedením a stabilitou ve všech ohledech. Široce se používá v aplikacích s kapacitou kolem 10 kWh, například v mobilních telefonech, noteboocích a jiných malých elektronických zařízeních.

⑤ Baterie 21700:
Baterie 21700 je lithiová baterie s průměrem 21 mm a výškou 70 mm. Díky větší velikosti je zlepšena účinnost využití prostoru a lze zvýšit energetickou hustotu jednotlivých článků i celého systému. Její objemová energetická hustota je mnohem vyšší než u baterie 18650. Široce se používá v digitálních zařízeních, elektrických vozidlech, self-balancujících vozcích, solárních lithiových bateriích pro pouliční osvětlení, LED světlech, nářadí na elektrický pohon atd.

⑥ Baterie 26650:
Baterie 26650 je lithiová baterie s průměrem 26 mm a výškou 65 mm. Má jmenovité napětí 3,2 V a jmenovitou kapacitu 3200 mAh. Tento typ baterie disponuje vynikající kapacitou a vysokou konzistencí a postupně se stává náhradou baterií 18650. Mnohé produkty v oblasti akumulátorů pro pohon budou tento typ rovněž postupně preferovat.

⑦ Baterie 32650
Baterie 32650 je lithiová baterie o průměru 32 mm a výšce 65 mm. Tento typ baterie má silnou schopnost nepřetržitého vybíjení, a je proto vhodnější pro elektrické hračky, záložní napájení, UPS baterie, systémy větrné energie a hybridní větrno-sluneční systémy výroby energie.

III. Vývoj trhu válcových lithiových baterií

Pokroky v technologii válcových lithiových baterií především vyplývají z inovativního výzkumu a aplikace klíčových materiálů baterií. Vývoj nových materiálů dále zlepšuje výkon baterií, zvyšuje kvalitu, snižuje náklady a zlepšuje bezpečnost. Za účelem splnění požadavků na vyšší měrnou energii baterií u aplikací ve spodní části řetězce se toho dosahuje použitím materiálů s vysokou měrnou kapacitou a zvyšováním nabíjecího napětí prostřednictvím vysokonapěťových materiálů.

Válcové lithiové baterie se vyvinuly od typu 14500 až po baterii Tesla 21700. V blízké i střednědobé době, při optimalizaci stávajících technologií lithiových trakčních baterií za účelem uspokojení potřeb rozsáhlého rozvoje vozidel na nové energie, je zaměřeno na vývoj nových lithiových trakčních baterií, zlepšování jejich bezpečnosti, konzistence a životnosti a současně probíhá perspektivní výzkum a vývoj nových systémů trakčních baterií.

Pro středně- a dlouhodobý vývoj válcových lithiových baterií, při kontinuální optimalizaci a zlepšování nových lithiových trakčních baterií, se bude zaměřovat na vývoj nových systémů trakčních baterií, výrazné zvýšení měrné energie, výrazné snížení nákladů a realizaci praktického a rozsáhlého nasazení nových systémů trakčních baterií.