Ο Πλήρης Οδηγός για τις Κυλινδρικές Μπαταρίες Li-ion: Τύποι, Απόδοση και Εφαρμογές

Οι κυλινδρικές μπαταρίες λιθίου χωρίζονται σε διαφορετικά συστήματα, όπως φωσφορικός σίδηρος λιθίου, οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου, οξείδιο του μαγγανίου λιθίου, υβριδικό κοβάλτιο-μαγγάνιο και τριαδικά υλικά. Το περίβλημα χωρίζεται σε μεταλλικό περίβλημα και πολυμερές περίβλημα. Διαφορετικά συστήματα υλικών έχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα.

Πλήρης λίστα μοντέλων κυλινδρικών μπαταριών λιθίου

Μοντέλο στοιχείου	ονομαστική τάση	Χωρητικότητα (mAh)	Θερμοκρασία φόρτισης (°C)	Θερμοκρασία εκφόρτισης (°C)	Ρεύμα φόρτισης (A)	Ρεύμα εκφόρτισης (α)
ICR18650 (Τριαδικό)	3.7V	2200	0~45	-40~+60	2,2 A (θερμοκρασία δωματίου 1C)	10 A (κανονική θερμοκρασία 5C)
ICR18650 (Τριαδικό)	3.7V	2500	0~45	-40~+60	2,5 A (θερμοκρασία δωματίου 1C)	25A (θερμοκρασία δωματίου 10°C)
ICR18650 (Τριαδικό)	3.7V	3000	0~45	-40~+60	3,0A (κανονική θερμοκρασία 1C)	15A (5°C)
ICR21700 (Τριαδικό)	3.7V	4000	0~45	-40~+60	4,0A (κανονική θερμοκρασία 1C)	40A (κανονική θερμοκρασία 10C)
NCR18650B (Τριαδικό)	3,6V	3350	0~45	-20~60	1,625A	4,875A
INR18650-30Q (Τριαδικό)	3,6V	3000	0~45	-20~75	0,50 γρ.	15α
IFR26650 (Φωσφορικός Σίδηρος Λιθίου)	3,2 V	3200	-20~+45	-40~+60	3,2A (θερμοκρασία δωματίου 1C)	10A (θερμοκρασία δωματίου 3C)
IFR32700 (Φωσφορικός Σίδηρος Λιθίου)	3,2 V	5000	-20~+45	-40~+60	5,0A (κανονική θερμοκρασία 1C)	25A (5°C)
IFR26650 E3400	3,2 V	3400	0~60	-10~60	2.0A	10.2A

Ι. Τι είναι μια κυλινδρική μπαταρία λιθίου;

1. Ορισμός κυλινδρικής μπαταρίας

Οι κυλινδρικές μπαταρίες λιθίου ταξινομούνται σε διάφορα συστήματα, όπως φωσφορικός σίδηρος-λίθιο, οξείδιο του κοβαλτίου-λίθιο, οξείδιο του μαγγανίου-λίθιο, υβριδικό κοβάλτιο-μαγγάνιο και τριονυμικά υλικά. Τα κελύφη είναι διαθέσιμα σε εκδόσεις από χάλυβα και πολυμερές, καθένα με τα δικά του πλεονεκτήματα. Προς το παρόν, οι κυλινδρικές μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου-λιθίου με κελύφη από χάλυβα είναι οι πιο συνηθισμένες. Αυτές οι μπαταρίες προσφέρουν πλεονεκτήματα όπως υψηλή χωρητικότητα, υψηλή τάση εξόδου, καλή απόδοση κύκλου φόρτισης-αποφόρτισης, σταθερή τάση εξόδου, δυνατότητα αποφόρτισης με υψηλό ρεύμα, σταθερή ηλεκτροχημική απόδοση, ασφάλεια, ευρύ εύρος λειτουργικών θερμοκρασιών και φιλικότητα προς το περιβάλλον. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλιακό φωτισμό, φωτισμό γκαζονιών, εφεδρική τροφοδοσία, ηλεκτρικά εργαλεία και μοντέλα παιχνιδιών.

2. Δομή κυλινδρικής μπαταρίας

Μια τυπική κυλινδρική δομή μπαταρίας περιλαμβάνει: κέλυφος, καπάκι, θετικό ηλεκτρόδιο, αρνητικό ηλεκτρόδιο, διαχωριστή, ηλεκτρολύτη, στοιχείο PTC, παρεμβυσμα, βαλβίδα ασφαλείας, κ.λπ. Γενικά, το κέλυφος της μπαταρίας είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο, και το καπάκι είναι το θετικό ηλεκτρόδιο. Το κέλυφος της μπαταρίας κατασκευάζεται από νικελοπλατινωμένο χάλυβα.

3. Πλεονεκτήματα των κυλινδρικών μπαταριών λιθίου

Σε σύγκριση με τις μπαταρίες λιθίου σε φακέλους και πρισματικές, οι κυλινδρικές μπαταρίες λιθίου έχουν τη μεγαλύτερη ιστορία ανάπτυξης, υψηλότερο βαθμό τυποποίησης, πιο ώριμη τεχνολογία, υψηλότερο ποσοστό απόδοσης και χαμηλότερο κόστος.

Ώριμη διαδικασία παραγωγής, χαμηλό κόστος PACK, υψηλή απόδοση προϊόντος μπαταρίας και καλή απόδοση διασποράς θερμότητας.

Οι κυλινδρικές μπαταρίες έχουν ήδη καθιερώσει μια σειρά διεθνώς ενιαίων προτύπων και μοντέλων, με ώριμη τεχνολογία κατάλληλη για μαζική συνεχή παραγωγή. Η κυλινδρική μορφή έχει μεγάλη ειδική επιφάνεια, με αποτέλεσμα καλή διασπορά θερμότητας.

Οι κυλινδρικές μπαταρίες είναι γενικά σφραγισμένες μπαταρίες, και δεν υπάρχουν ζητήματα συντήρησης κατά τη χρήση.

Ο θάλαμος της μπαταρίας έχει υψηλή αντοχή στην πίεση και δεν θα εμφανίσει φαινόμενα όπως η διόγκωση, όπως συμβαίνει σε τετράγωνες ή μαλακές συσκευασίες μπαταριών κατά τη χρήση.

4. Υλικό καθόδου κυλινδρικής μπαταρίας

Αυτή τη στιγμή, τα κύρια εμπορικά υλικά καθόδου κυλινδρικών μπαταριών περιλαμβάνουν κυρίως οξείδιο λιθίου-κοβαλτίου (LiCoO2), οξείδιο λιθίου-μαγγανίου (LiMn2O4), τριτοταγές λίθιο (NMC) και φωσφορικό σίδηρο-λίθιο (LiFePO4). Διαφορετικά συστήματα υλικών έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά, όπως συγκρίνονται παρακάτω:

έργο	Οξείδιο λιθίου-κοβαλτίου (LiCoO₂)	Τριτοταγές λίθιο (LiNiCoMnO₂)	Οξείδιο λιθίου-μαγγανίου (LiMn₂O₄)	Ιόντων Λιθίου Φωσφορικής Σίδηρος (LiFePO₄)
Πυκνότητα Τύπωσης (g/cm³)	2.8~3.0	2.0~2.3	2.2~2.4	1.0~1.4
Ειδική επιφάνεια (m²/g)	0.4~0.6	0.2~0.4	0.4~0.8	12~20
Χωρητικότητα (mAh/g)	135~140	140~180	90~100	130~140
Πλατώ τάσης (V)	3.7	3.5	3.8	3.2
Κυκλική απόδοση	≥ 500 φορές	≥ 500 φορές	≥300 φορές	≥2000 φορές
Έξοδα Για Φυσικά Υλικά	Υψηλό (περιεκτικότητα σε κοβάλτιο)	Υψηλό (περιέχει νικέλιο και κοβάλτιο)	χαμηλά	χαμηλά
Προστασία του περιβάλλοντος	Περιέχει κοβάλτιο (χαμηλή φιλικότητα προς το περιβάλλον)	Περιέχει νικέλιο και κοβάλτιο (Περιβαλλοντική Προστασία Κίνας)	Μη τοξικό	Μη τοξικό
Απόδοση ασφάλειας	Κακή	καλύτερο	καλή	εξοχος
Τομείς εφαρμογής	Μικρές μπαταρίες	Μικρή μπαταρία ισχύος	Μπαταρίες ισχύος, μπαταρίες χαμηλού κόστους	Μπαταρίες ισχύος/υπερμεγέθεις πηγές ενέργειας
πλεονέκτημα	Οι μικρές και μεσαίες μπαταρίες έχουν σταθερή απόδοση	Σταθερή ηλεκτροχημική απόδοση	Οι πηγές μαγγανίου είναι πλούσιες και χαμηλού κόστους	Υψηλή ασφάλεια και μεγάλη διάρκεια ζωής
ελλείψεις	Υψηλή τιμή κοβαλτίου και μικρή διάρκεια κύκλου ζωής	Το κοβάλτιο και το νικέλιο είναι ακριβά	Καύσιμο με χαμηλή πυκνότητα ενέργειας	Μέτρια απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες

5. Υλικό ανόδου για κυλινδρικά μπαταρίες

Τα υλικά ανόδου κυλινδρικών μπαταριών μπορούν να χωριστούν σε έξι τύπους: υλικά ανόδου βασισμένα σε άνθρακα, υλικά ανόδου κραμάτων, υλικά ανόδου βασισμένα σε κασσίτερο, υλικά ανόδου λιθίου που περιέχουν μεταβατικά μέταλλα νιτριδίου, νανοϋλικά και νανοϋλικά ανόδου.

Νανοϋλικά ανόδου βασισμένα σε άνθρακα: Προς το παρόν, τα υλικά ανόδου που χρησιμοποιούνται πραγματικά σε μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι κυρίως υλικά άνθρακα, όπως τεχνητός γραφίτης, φυσικός γραφίτης, σφαίρες μεσοφασικού άνθρακα, κάρβουνο πετρελαίου, άνθρακας ίνας, άνθρακας πυρόλυσης ρητίνας κ.λπ.

Τα ανοδικά υλικά βασισμένα σε κράματα περιλαμβάνουν κράματα βασισμένα σε κασσίτερο, κράματα βασισμένα σε πυρίτιο, κράματα βασισμένα σε γερμάνιο, κράματα βασισμένα σε αλουμίνιο, κράματα βασισμένα σε αντιμόνιο, κράματα βασισμένα σε μαγνήσιο και άλλα κράματα. Προς το παρόν, δεν υπάρχουν εμπορικά διαθέσιμα προϊόντα.

Ανοδικά υλικά βασισμένα σε κασσίτερο: Τα ανοδικά υλικά βασισμένα σε κασσίτερο μπορούν να χωριστούν σε δύο τύπους: οξείδια κασσιτέρου και σύνθετα οξείδια βασισμένα σε κασσίτερο. Τα οξείδια αναφέρονται σε οξείδια μεταλλικού κασσιτέρου σε διάφορες καταστάσεις οξείδωσης. Προς το παρόν, δεν υπάρχουν εμπορικά διαθέσιμα προϊόντα.

Προς το παρόν, δεν υπάρχουν εμπορικά διαθέσιμα ανοδικά υλικά λιθίου μεταβατικών μετάλλων νιτριδίων.

Νανοϋλικά: νανοσωλήνες άνθρακα, νανοκράματα

Νανοανοδικά υλικά: Νανοϋλικά οξειδίων

 

ΙΙ. Κυλινδρικά κελιά λιθίου-ιόντων

1. Εμπορικά σήματα κυλινδρικών κελιών λιθίου-ιόντων

Οι κυλινδρικές μπαταρίες λιθίου είναι δημοφιλείς μεταξύ των εταιρειών μπαταριών λιθίου στην Ιαπωνία και τη Νότια Κορέα, ενώ υπάρχει επίσης σημαντικός αριθμός εταιρειών στην Κίνα που παράγουν κυλινδρικές μπαταρίες λιθίου. Η πρώτη κυλινδρική μπαταρία λιθίου εφευρέθηκε από την εταιρεία Sony της Ιαπωνίας το 1992.

Γνωστά εμπορικά σήματα κυψελών κυλινδρικών ιοντικών μπαταριών λιθίου περιλαμβάνουν: Sony, Panasonic, Sanyo, Samsung, LG, Wanxiang A123, BAK και Lishen.

 

2. Τύποι κυλινδρικών κυψελών ιόντων λιθίου

Οι κυλινδρικές κυψέλες ιόντων λιθίου αναπαρίστανται συνήθως με πέντε ψηφία. Ξεκινώντας από τα αριστερά, τα δύο πρώτα ψηφία υποδεικνύουν τη διάμετρο της μπαταρίας, τα τρίτο και τέταρτο ψηφίο υποδεικνύουν το ύψος της μπαταρίας, και το πέμπτο ψηφίο υποδεικνύει ότι η κυψέλη είναι κυλινδρική. Υπάρχουν πολλά μοντέλα κυλινδρικών μπαταριών λιθίου, με τα συνηθέστερα να περιλαμβάνουν τα 10400, 14500, 16340, 18650, 21700, 26650 και 32650.

① Μπαταρία 10440:
Η μπαταρία 10440 είναι μια λιθιοϊονική μπαταρία διαμέτρου 10 mm και ύψους 44 mm, ίδιας διάστασης με αυτό που συνήθως αποκαλούμε «μπαταρία μεγέθους 7». Αυτός ο τύπος μπαταρίας έχει γενικά πολύ μικρή χωρητικότητα, μόνο μερικές εκατοντάδες mAh, και χρησιμοποιείται κυρίως σε μικρά ηλεκτρονικά προϊόντα, όπως φακοί, μικρά ηχεία και μεγάφωνα.

② Μπαταρία 14500:
Η μπαταρία 14500 είναι μια λιθιοϊονική μπαταρία διαμέτρου 14 mm και ύψους 50 mm. Αυτός ο τύπος μπαταρίας είναι συνήθως 3,7 V ή 3,2 V, με σχετικά μικρή ονομαστική χωρητικότητα, ελαφρώς μεγαλύτερη από την 10440, γενικά 1600 mAh. Διαθέτει εξαιρετική απόδοση εκφόρτισης και χρησιμοποιείται κυρίως σε ηλεκτρονικά καταναλωτικά προϊόντα, όπως ασύρματα ηχεία, ηλεκτρικά παιχνίδια και ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές.

③ Μπαταρία 16340.
Η μπαταρία 16340 είναι μια λιθιοϊονική μπαταρία διαμέτρου 16 mm και ύψους 34 mm. Λόγω του μικρότερου ύψους και της σχετικά μεγάλης χωρητικότητας, αυτό το είδος μπαταρίας χρησιμοποιείται συχνά σε φακούς υψηλής ισχύος, LED φακούς, λαμπτήρες κεφαλής, λέιζερ και άλλα φωτιστικά.

④ Μπαταρία 18650:
Η μπαταρία 18650 είναι μια λιθιοϊονική μπαταρία διαμέτρου 18 mm και ύψους 65 mm. Το κύριο χαρακτηριστικό της είναι η πολύ υψηλή πυκνότητα ενέργειας, η οποία φτάνει σχεδόν τα 170 Wh/kg. Ως εκ τούτου, αυτό το είδος μπαταρίας αποτελεί μια οικονομικά αποδοτική λύση. Οι περισσότερες μπαταρίες που βλέπουμε στην καθημερινή ζωή είναι αυτού του τύπου, καθώς πρόκειται για ένα σχετικά ώριμο λιθιοϊονικό σύστημα με καλή ποιότητα και σταθερότητα σε όλους τους τομείς. Χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές μπαταριών με χωρητικότητα περίπου 10 kWh, όπως σε κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές και άλλες μικρές ηλεκτρονικές συσκευές.

⑤ Μπαταρία 21700:
Η μπαταρία 21700 είναι μια λιθιοϊονική μπαταρία διαμέτρου 21 mm και ύψους 70 mm. Λόγω του μεγαλύτερου μεγέθους της, βελτιώνεται ο βαθμός αξιοποίησης του χώρου, καθώς και η ενεργειακή πυκνότητα των επί μέρους κυψελών και του συστήματος. Η όγκος ενεργειακής πυκνότητας είναι πολύ υψηλότερη σε σύγκριση με την 18650. Χρησιμοποιείται ευρέως σε ψηφιακά προϊόντα, ηλεκτρικά οχήματα, ελεγχόμενα οχήματα ισορροπίας, φωτιστικά οδικών λαμπτήρων με ηλιακή ενέργεια και λιθιοϊονική μπαταρία, LED φώτα, ηλεκτρικά εργαλεία κ.λπ.

⑥ Μπαταρία 26650:
Η μπαταρία 26650 είναι μια λιθιοϊονική μπαταρία διαμέτρου 26 mm και ύψους 65 mm. Έχει ονομαστική τάση 3,2 V και ονομαστική χωρητικότητα 3200 mAh. Αυτός ο τύπος μπαταρίας διαθέτει εξαιρετική χωρητικότητα και υψηλή συνέπεια, και σταδιακά έχει γίνει η αντικατάσταση των μπαταριών 18650. Πολλά προϊόντα στον τομέα των μπαταριών ισχύος θα προτιμούν επίσης σταδιακά αυτόν τον τύπο.

⑦ Μπαταρία 32650
Η μπαταρία 32650 είναι μια λιθιοϊονική μπαταρία διαμέτρου 32 mm και ύψους 65 mm. Αυτός ο τύπος μπαταρίας διαθέτει ισχυρή συνεχή ικανότητα εκφόρτισης, γι’ αυτό είναι πιο κατάλληλος για ηλεκτρικά παιχνίδια, εφεδρική παροχή ρεύματος, μπαταρίες UPS, συστήματα παραγωγής ενέργειας από αιολική ενέργεια και υβριδικά συστήματα παραγωγής ενέργειας αιολικής-ηλιακής ενέργειας.

III. Ανάπτυξη της Αγοράς Κυλινδρικών Μπαταριών Λιθίου

Οι εξελίξεις στην τεχνολογία των κυλινδρικών λιθιοϊονικών μπαταριών προέρχονται κυρίως από καινοτόμη έρευνα και εφαρμογή βασικών υλικών μπαταριών. Η ανάπτυξη νέων υλικών βελτιώνει περαιτέρω την απόδοση της μπαταρίας, αυξάνει την ποιότητα, μειώνει το κόστος και βελτιώνει την ασφάλεια. Για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις των εφαρμογών στον κατώτερο κλάδο όσον αφορά την υψηλότερη ειδική ενέργεια της μπαταρίας, αυτό επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης υλικών με υψηλή ειδική χωρητικότητα και μέσω της αύξησης της τάσης φόρτισης με τη χρήση υλικών υψηλής τάσης.

Οι κυλινδρικές μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν εξελιχθεί από το 14500 στην μπαταρία Tesla 21700. Στο προσεχές και μεσοπρόθεσμο διάστημα, ενώ βελτιώνονται οι υπάρχουσες τεχνολογίες μπαταριών ιόντων λιθίου για να καλύψουν τις ανάγκες της μεγάλης ανάπτυξης οχημάτων νέας ενέργειας, επικεντρώνεται η προσοχή στην ανάπτυξη νέων μπαταριών ιόντων λιθίου, στη βελτίωση της ασφάλειας, της συνέπειας και του χρόνου ζωής τους, καθώς και στην προορατική έρευνα και ανάπτυξη νέων συστημάτων μπαταριών.

Για τη μεσοπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη ανάπτυξη των κυλινδρικών μπαταριών ιόντων λιθίου, ενώ συνεχίζεται η βελτιστοποίηση και η βελτίωση των νέων μπαταριών ιόντων λιθίου, θα επικεντρωθούμε στην ανάπτυξη νέων συστημάτων μπαταριών για σημαντική βελτίωση της ειδικής ενέργειας, ριζική μείωση του κόστους και επίτευξη πρακτικής και μαζικής εφαρμογής των νέων συστημάτων μπαταριών.