Der komplette Leitfaden zu zylindrischen Li-Ionen-Batterien: Typen, Leistung und Anwendungen

Zylindrische Lithiumbatterien sind in verschiedene Systeme unterteilt, wie Lithium-Eisen-Phosphat, Lithium-Kobaltoxid, Lithium-Manganoxid, Kobalt-Mangan-Hybrid und ternäre Materialien. Das Gehäuse ist in Stahlgehäuse und Polymergehäuse unterteilt. Unterschiedliche Materialsysteme weisen unterschiedliche Vorteile auf.

Vollständige Liste zylindrischer Lithiumbatterie-Modelle

Zellmodell	nennspannung	Kapazität (mAh)	Ladetemperatur (°C)	Entladetemperatur (°C)	Ladestrom (A)	Abflussstrom (a)
ICR18650 (Ternär)	3.7V	2200	0~45	-40~+60	2,2 A (Raumtemperatur 1C)	10 A (Normaltemperatur 5C)
ICR18650 (Ternär)	3.7V	2500	0~45	-40~+60	2,5 A (Raumtemperatur 1C)	25A (Raumtemperatur 10°C)
ICR18650 (Ternär)	3.7V	3000	0~45	-40~+60	3,0A (normale Temperatur 1C)	15A (5°C)
ICR21700 (Ternär)	3.7V	4000	0~45	-40~+60	4,0A (normale Temperatur 1C)	40A (normale Temperatur 10C)
NCR18650B (Ternär)	3,6 V	3350	0~45	-20~60	1,625A	4,875A
INR18650-30Q (Ternär)	3,6 V	3000	0~45	-20~75	0,5c	15A
IFR26650 (Lithium-Eisenphosphat)	3,2 V	3200	-20~+45	-40~+60	3,2 A (Raumtemperatur 1C)	10 A (Raumtemperatur 3C)
IFR32700 (Lithium-Eisenphosphat)	3,2 V	5000	-20~+45	-40~+60	5,0 A (normale Temperatur 1C)	25 A (5°C)
IFR26650 E3400	3,2 V	3400	0~60	-10~60	2,0A	10.2A

Ich. Was ist eine zylindrische Lithiumbatterie?

1. Definition der Zylinderzelle

Zylindrische Lithiumbatterien werden in verschiedene Systeme unterteilt, darunter Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Kobaltoxid, Lithium-Manganoxid, Kobalt-Mangan-Hybrid und ternäre Materialien. Die Gehäuse sind in Stahl- und Polymerausführungen erhältlich, wobei jede Variante ihre eigenen Vorteile bietet. Derzeit am gebräuchlichsten sind zylindrische Lithium-Eisenphosphat-Batterien mit Stahlgehäusen. Diese Batterien bieten Vorteile wie hohe Kapazität, hohe Ausgangsspannung, gute Lade-Entlade-Zyklusleistung, stabile Ausgangsspannung, Fähigkeit zur Entladung mit hohem Strom, stabile elektrochemische Eigenschaften, Sicherheit, breiten Betriebstemperaturbereich und Umweltfreundlichkeit. Sie finden breite Anwendung in Solarbeleuchtung, Rasenbeleuchtung, Notstromversorgung, Elektrowerkzeugen und Modellspielzeug.

2. Aufbau einer Zylinderzelle

Ein typischer zylindrischer Batterieaufbau umfasst: Gehäuse, Deckel, positive Elektrode, negative Elektrode, Separator, Elektrolyt, PTC-Element, Dichtung, Sicherheitsventil usw. In der Regel ist das Batteriegehäuse die negative Elektrode und der Deckel die positive Elektrode. Das Batteriegehäuse besteht aus vernickeltem Stahl.

3. Vorteile zylindrischer Lithiumbatterien

Im Vergleich zu prismatischen und taschenförmigen Lithiumbatterien haben zylindrische Lithiumbatterien die längste Entwicklungsgeschichte, einen höheren Grad an Standardisierung, eine ausgereiftere Technologie, eine höhere Ausbeute und niedrigere Kosten.

Ausgereifte Produktionsprozesse, niedrige PACK-Kosten, hohe Produktionsausbeute und gute Wärmeableitung.

Zylindrische Batterien haben eine Reihe international einheitlicher Standardnormen und -modelle etabliert, verfügen über eine ausgereifte Technologie und eignen sich für die massenhafte kontinuierliche Produktion. Die zylindrische Form weist eine große spezifische Oberfläche auf, was eine gute Wärmeableitung ermöglicht.

Zylindrische Batterien sind in der Regel versiegelte Batterien, und während des Gebrauchs treten keine Wartungsprobleme auf.

Das Batteriegehäuse weist eine hohe Druckbeständigkeit auf und zeigt während des Betriebs keine Phänomene wie Aufblähung, wie sie bei prismatischen oder Softpack-Batterien auftreten können.

4. Kathodenmaterial für zylindrische Batterien

Derzeit umfassen die gängigen kommerziellen Kathodenmaterialien für zylindrische Batterien hauptsächlich Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Manganoxid (LiMn₂O₄), ternäres Lithium (NMC) und Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄). Verschiedene Materialsysteme weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, wie nachfolgend verglichen:

projekt	Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂)	Ternäres Lithium (LiNiCoMnO₂)	Lithium-Manganoxid (LiMn₂O₄)	Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄)
Tap-Dichte (g/cm³)	2.8~3.0	2.0~2.3	2.2~2.4	1.0~1.4
Spezifische Oberfläche (m²/g)	0.4~0.6	0.2~0.4	0.4~0.8	12~20
Kapazität (mAh/g)	135~140	140~180	90~100	130~140
Spannungsplateau (V)	3.7	3.5	3.8	3.2
Zyklische Leistung	≥ 500 Mal	≥ 500 Mal	≥300 Mal	≥ 2000 Mal
Rohstoffkosten	Hoch (Kobaltgehalt)	Hoch (enthält Nickel und Kobalt)	niedrig	niedrig
UMWELTSCHUTZ	Enthält Kobalt (geringe Umweltfreundlichkeit)	Enthält Nickel und Kobalt (chinesischer Umweltschutz)	Nicht toxisch	Nicht toxisch
Sicherheitsleistung	Schlecht	- Das ist besser.	gut	exzellent
Anwendungsbereiche	Kleine Batterien	Kleine Antriebsbatterie	Antriebsbatterien, kostengünstige Batterien	Antriebsbatterien/ultragroße Energiespeicher
vorteil	Kleine und mittlere Batterien haben eine stabile Leistung	Stabile elektrochemische Leistung	Manganressourcen sind reichlich vorhanden und kostengünstig	Hohe Sicherheit und lange Lebensdauer
nachteil	Hoher Kobaltpreis und geringe Zyklenlebensdauer	Kobalt und Nickel sind teuer	Geringe Energiedichte	Schlechte Leistung bei niedrigen Temperaturen

5. Anodenmaterial für Zylindermaterialien

Anodenmaterialien für Zylinderbatterien können grob in sechs Typen unterteilt werden: Kohlenstoff-Anodenmaterialien, Legierungs-Anodenmaterialien, zinnbasierte Anodenmaterialien, lithiumhaltige Übergangsmetallnitrid-Anodenmaterialien, nanoskalige Materialien und Nano-Anodenmaterialien.

Kohlenstoff-nanoskalige Anodenmaterialien: Derzeit sind die tatsächlich in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Anodenmaterialien im Wesentlichen Kohlenstoffmaterialien, wie künstlicher Graphit, natürlicher Graphit, mesophase Kohlenstoffmikrokugeln, Petrolkoks, Kohlenstofffaser, pyrolytischer Harz-Kohlenstoff usw.

Legierungs-basierte Anodenmaterialien umfassen zinnbasierte Legierungen, siliziumbasierte Legierungen, germaniumbasierte Legierungen, aluminiumbasierte Legierungen, antimonsbasierte Legierungen, magnesiumbasierte Legierungen und andere Legierungen. Derzeit gibt es keine kommerziell verfügbaren Produkte.

Zinnbasierte Anodenmaterialien: Zinnbasierte Anodenmaterialien können in zwei Typen unterteilt werden: Zinoxide und zinnbasierte Verbundoxide. Oxide bezeichnen Oxide aus metallischem Zinn in verschiedenen Wertigkeitsstufen. Derzeit gibt es keine kommerziell verfügbaren Produkte.

Derzeit gibt es keine kommerziell verfügbaren lithiumbasierten Übergangsmetallnitrid-Anodenmaterialien.

Nanomaterialien: Kohlenstoffnanoröhren, nanostrukturierte Legierungsmaterialien.

Nano-Anodenmaterialien: Nano-Oxidmaterialien

 

II. Runde Lithium-Batteriezellen

1. Runde Lithium-Ionen-Zellenmarken

Zylindrische Lithiumbatterien sind bei Lithiumbatterieunternehmen in Japan und Südkorea beliebt, und auch in China gibt es eine beträchtliche Anzahl von Unternehmen, die zylindrische Lithiumbatterien herstellen. Die erste zylindrische Lithiumbatterie wurde 1992 von der japanischen Firma Sony Corporation erfunden.

Bekannte Marken für zylindrische Lithium-Ionen-Zellen sind: Sony, Panasonic, Sanyo, Samsung, LG, Wanxiang A123, BAK und Lishen.

 

2. Typen zylindrischer Lithium-Ionen-Zellen

Zylindrische Lithium-Ionen-Zellen werden typischerweise durch fünf Ziffern dargestellt. Von links gezählt geben die ersten beiden Ziffern den Durchmesser der Batterie an, die dritte und vierte Ziffer die Höhe der Batterie, und die fünfte Ziffer zeigt an, dass die Zelle zylindrisch ist. Es gibt viele Modelle zylindrischer Lithiumbatterien, darunter übliche Typen wie 10400, 14500, 16340, 18650, 21700, 26650 und 32650.

① 10440-Batterie:
Die 10440-Batterie ist eine Lithiumbatterie mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Höhe von 44 mm, genauso groß wie das, was wir allgemein als „Batterie der Größe 7“ bezeichnen. Diese Batterieart hat im Allgemeinen eine sehr geringe Kapazität, nur einige hundert mAh, und wird hauptsächlich in Mini-Elektronikprodukten verwendet, wie Taschenlampen, Mini-Lautsprechern und Megaphonen.

② 14500-Batterie:
Die 14500-Batterie ist eine Lithiumbatterie mit einem Durchmesser von 14 mm und einer Höhe von 50 mm. Diese Batterieart hat im Allgemeinen 3,7 V oder 3,2 V, eine relativ geringe Nennkapazität, etwas größer als die 10440-Batterie, meistens 1600 mAh. Sie zeichnet sich durch eine hervorragende Entladeleistung aus und wird hauptsächlich in Unterhaltungselektronik eingesetzt, wie kabellose Lautsprecher, elektrische Spielzeuge und Digitalkameras.

③ 16340-Batterie.
Die 16340-Batterie ist eine Lithiumbatterie mit einem Durchmesser von 16 mm und einer Höhe von 34 mm. Aufgrund ihrer geringeren Höhe und relativ großen Kapazität kommt dieser Batterietyp häufig in Hochleistungs-Taschenlampen, LED-Taschenlampen, Stirnlampen, Laserlichtern und anderen Beleuchtungsvorrichtungen zum Einsatz.

④ 18650-Batterie:
Die 18650-Batterie ist eine Lithiumbatterie mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Höhe von 65 mm. Ihr größtes Merkmal ist die sehr hohe Energiedichte, die nahezu 170 Wh/kg beträgt. Daher gilt dieser Batterietyp als kosteneffizient. Die meisten Batterien, die wir im Alltag sehen, sind von diesem Typ, da es sich um eine relativ ausgereifte Lithiumbatterie handelt, die in allen Aspekten eine gute Systemqualität und Stabilität bietet. Sie wird weit verbreitet in Anwendungen mit einer Batteriekapazität von etwa 10 kWh eingesetzt, wie beispielsweise in Mobiltelefonen, Laptops und anderen kleinen elektronischen Geräten.

⑤ 21700-Batterie:
Die 21700-Batterie ist eine Lithiumbatterie mit einem Durchmesser von 21 mm und einer Höhe von 70 mm. Aufgrund ihrer vergrößerten Größe ist die Raumausnutzung verbessert, und die Energiedichte einzelner Zellen sowie des Systems kann erhöht werden. Ihre volumetrische Energiedichte ist deutlich höher als die der 18650-Batterie. Sie wird häufig in digitalen Produkten, Elektrofahrzeugen, Balance-Fahrzeugen, solarbetriebenen Lithiumbatterie-Straßenlaternen, LED-Leuchten, Elektrowerkzeugen usw. eingesetzt.

⑥ 26650 Batterie:
Die 26650-Batterie ist eine Lithiumbatterie mit einem Durchmesser von 26 mm und einer Höhe von 65 mm. Sie hat eine Nennspannung von 3,2 V und eine Nennkapazität von 3200 mAh. Diese Batterietyp hat eine hervorragende Kapazität und hohe Konsistenz und hat sich zunehmend zur Alternative zur 18650-Batterie entwickelt. Auch im Bereich der Akkus wird diese Bauart bei vielen Produkten zunehmend bevorzugt.

⑦ 32650 Batterie
Die 32650-Batterie ist eine Lithiumbatterie mit einem Durchmesser von 32 mm und einer Höhe von 65 mm. Diese Batterieart verfügt über eine starke kontinuierliche Entladefähigkeit und eignet sich daher besser für elektrische Spielzeuge, Backup-Stromversorgung, USV-Batterien, Windkraftanlagen sowie wind-solarhybride Stromerzeugungssysteme.

III. Entwicklung des Marktes für zylindrische Lithiumbatterien

Fortschritte bei der Technologie zylindrischer Lithium-Ionen-Batterien resultieren hauptsächlich aus innovativer Forschung und Anwendung zentraler Batteriematerialien. Die Entwicklung neuer Materialien verbessert die Batterieleistung weiter, erhöht die Qualität, senkt die Kosten und steigert die Sicherheit. Um den Anforderungen der nachgelagerten Anwendungen nach höherer spezifischer Energie der Batterien gerecht zu werden, wird dies durch die Verwendung von Materialien mit hoher spezifischer Kapazität sowie durch Erhöhung der Ladespannung mittels Hochspannungsmaterialien erreicht.

Zylindrische Lithium-Ionen-Batterien haben sich von der 14500 zur Tesla 21700-Batterie weiterentwickelt. Kurz- und mittelfristig liegt der Fokus neben der Optimierung bestehender Lithium-Ionen-Traktionsbatterietechnologien zur Erfüllung der Anforderungen der großtechnischen Entwicklung von Elektrofahrzeugen auf der Entwicklung neuer Lithium-Ionen-Traktionsbatterien, der Verbesserung ihrer Sicherheit, Konsistenz und Lebensdauer sowie gleichzeitiger zukunftsorientierter Forschung und Entwicklung neuer Traktionsbatteriesysteme.

Für die mittel- und langfristige Entwicklung zylindrischer Lithium-Ionen-Batterien wird, während kontinuierlich neue Lithium-Ionen-Traktionsbatterien optimiert und verbessert werden, der Schwerpunkt auf der Entwicklung neuer Traktionsbatteriesysteme liegen, um die spezifische Energie signifikant zu erhöhen, die Kosten erheblich zu senken und die praktische sowie großtechnische Anwendung neuer Traktionsbatteriesysteme zu realisieren.