راهنمای کامل باتری‌های لیتیوم-یون استوانه‌ای: انواع، عملکرد و کاربردها

باتری‌های لیتیوم استوانه‌ای به سیستم‌های مختلفی مانند لیتیوم فسفات آهن، لیتیوم کبالت اکسید، لیتیوم منگنز اکسید، ترکیب کبالت-منگنز و مواد سه‌جزئی تقسیم می‌شوند. پوسته این باتری‌ها به دو نوع فولادی و پلیمری تقسیم می‌شود. سیستم‌های مختلف موادی مزایای متفاوتی دارند.

فهرست کامل مدل‌های باتری لیتیومی استوانه‌ای

مدل سلول	ولتاژ اسما	ظرفیت (میلی‌آمپر ساعت)	دمای شارژ (°C)	دمای دشارژ (°C)	جریان شارژ (A)	جریان دیشارژ (A)
ICR18650 (ترنری)	3.7 ولت	2200	0~45	-40~+60	2.2A (دمای اتاق 1C)	10A (دمای معمولی 5C)
ICR18650 (ترنری)	3.7 ولت	2500	0~45	-40~+60	2.5A (دمای اتاق 1C)	25A (دمای اتاق 10°C)
ICR18650 (ترنری)	3.7 ولت	3000	0~45	-40~+60	3.0A (دمای معمولی 1C)	15A (5°C)
ICR21700 (ترنری)	3.7 ولت	4000	0~45	-40~+60	4.0A (دمای معمولی 1C)	40A (دمای معمولی 10C)
NCR18650B (ترنری)	3.6 ولت	3350	0~45	-20~60	1.625A	4.875آمپر
INR18650-30Q (ترنری)	3.6 ولت	3000	0~45	-20~75	0.5C	15A
IFR26650 (فسفرات لیتیوم آهن)	3.2 ولت	3200	-20~+45	-40~+60	3.2آمپر (دمای اتاق 1C)	10آمپر (دمای اتاق 3C)
IFR32700 (فسفرات لیتیوم آهن)	3.2 ولت	5000	-20~+45	-40~+60	5.0آمپر (دمای نرمال 1C)	25آمپر (5°C)
IFR26650 E3400	3.2 ولت	3400	0~60	-10~60	2.0A	10.2A

I. باتری لیتیوم استوانه‌ای چیست؟

1. تعریف باتری استوانهای

باتریهای لیتیومی استوانهای به سیستمهای مختلفی از جمله فسفات لیتیوم آهن، اکسید کبالت لیتیوم، اکسید منگنز لیتیوم، ترکیب کبالت-منگنز و مواد سهگانه تقسیم میشوند. پوشهای این باتریها به دو نوع فولادی و پلیمری موجود هستند که هر کدام مزایای خاص خود را دارند. در حال حاضر، باتریهای استوانهای فسفات لیتیوم آهن با پوشش فولادی رایجترین نوع هستند. این باتریها مزایایی از قبیل ظرفیت بالا، ولتاژ خروجی بالا، عملکرد خوب در چرخه شارژ و دشارژ، ولتاژ خروجی پایدار، قابلیت تخلیه جریان بالا، عملکرد الکتروشیمیایی پایدار، ایمنی، محدوده وسیع دمایی کاری و سازگاری با محیط زیست را دارا میباشند. این باتریها به طور گسترده در روشنایی خورشیدی، چراغهای چمن، برق پشتیبان، ابزارهای برقی و ماکتهای اسباببازی استفاده میشوند.

2. ساختار باتری استوانهای

ساختار معمولی یک باتری استوانهای شامل موارد زیر است: پوسته، درپوش، الکترود مثبت، الکترود منفی، جداکننده، الکترولیت، عنصر PTC، واشر، شیر ایمنی و غیره. به طور کلی، پوسته باتری قطب منفی و درپوش آن قطب مثبت است. پوسته باتری از فولاد نیکل‌دار ساخته شده است.

3. مزایای باتری‌های لیتیومی استوانه‌ای

در مقایسه با باتری‌های لیتیومی نرم (pouch) و باتری‌های لیتیومی منشوری (prismatic)، باتری‌های لیتیومی استوانه‌ای طولانی‌ترین تاریخچه توسعه، درجه بالاتری از استانداردسازی، فناوری بسیار بالغ‌تر، نرخ بازده بالاتر و هزینه پایین‌تری دارند.

فرآیند تولید بالغ، هزینه PACK پایین، بازده محصول باتری بالا و عملکرد خوب در انتشار حرارت.

باتری‌های استوانه‌ای مجموعه‌ای از مشخصات و مدل‌های استاندارد بین‌المللی یکسان را ایجاد کرده‌اند و فناوری آنها بالغ است و برای تولید انبوه مداوم مناسب می‌باشد. شکل استوانه‌ای سطح ویژه بزرگی دارد که منجر به انتشار حرارت خوب می‌شود.

باتری‌های استوانه‌ای معمولاً باتری‌های دربسته هستند و در طول استفاده مشکل نگهداری ندارند.

پوسته باتری مقاومت فشار بالایی دارد و در حین استفاده پدیده‌هایی مانند متورم شدن (سوئلینگ) را که در باتری‌های مربعی یا باتری‌های نرم‌پک دیده می‌شود، از خود نشان نمی‌دهد.

4. ماده کاتد باتری استوانه‌ای

در حال حاضر، مواد کاتدی باتری‌های استوانه‌ای تجاری رایج عمدتاً شامل اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO2)، اکسید لیتیوم منگنز (LiMn2O4)، لیتیوم سه‌تایی (NMC) و فسفات لیتیوم آهن (LiFePO4) می‌شوند. سیستم‌های مختلف مواد، ویژگی‌های متفاوتی دارند که در جدول زیر مقایسه شده‌اند:

پروژه	اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO₂)	لیتیوم سه‌تایی (LiNiCoMnO₂)	اکسید لیتیوم منگنز (LiMn₂O₄)	فسفات لیتیوم آهن (LiFePO₄)
چگالی ریخته‌گری (g/cm³)	2.8~3.0	2.0~2.3	2.2~2.4	1.0~1.4
سطح ویژه (m²/g)	0.4~0.6	0.2~0.4	0.4~0.8	12~20
ظرفیت (میلی‌آمپر ساعت/گرم)	135~140	140~180	90~100	130~140
ولتاژ پلتئو (ولت)	3.7	3.5	3.8	3.2
عملکرد چرخه‌ای	≥500 بار	≥500 بار	≥۳۰۰ بار	≥2000 بار
هزینه مواد اولیه	بالا (دارای کبالت)	بالا (حاوی نیکل و کبالت)	کم	کم
حفاظت از محیط زیست	دارای کبالت (دوستدار محیط زیست نیست)	دارای نیکل و کبالت (محیط زیست چین)	غیر سمی	غیر سمی
عملکرد ایمنی	فقير	بهتر	خوبه	عالی
حوزه‌های کاربرد	باتری‌های کوچک	باتری قدرت کوچک	باتری‌های قدرت، باتری‌های کم‌هزینه	باتری‌های قدرت/منابع تغذیه فوق العاده ظرفیت بالا
برتری	باتری‌های کوچک و متوسط عملکرد پایداری دارند	عملکرد الکتروشیمیایی پایدار	منابع منگنز فراوان و کم‌هزینه هستند	ایمنی بالا و عمر طولانی
کمبود	قیمت کبالت بالا و عمر چرخه پایین	کبالت و نیکل گران هستند	چگالی انرژی پایین	عملکرد ضعیف در دمای پایین

5. ماده آند برای باتری‌های استوانه‌ای

مواد آند باتری‌های استوانه‌ای را می‌توان به طور کلی به شش نوع تقسیم کرد: مواد آند کربنی، مواد آند آلیاژی، مواد آند پایه قلع، مواد آند نیترید فلز گذار لیتیوم‌دار، مواد نانومقیاس و مواد آند نانو.

مواد آند نانومقیاس کربنی: در حال حاضر، مواد آندی که واقعاً در باتری‌های لیتیوم یونی استفاده می‌شوند، عمدتاً از مواد کربنی هستند، مانند گرافیت مصنوعی، گرافیت طبیعی، کره‌های ریزکربن فاز مزو، کک نفتی، الیاف کربنی، کربن رزین پیرولیزی و غیره.

مواد آند پایه آلیاژ شامل آلیاژهای پایه قلع، آلیاژهای پایه سیلیسیم، آلیاژهای پایه ژرمانیوم، آلیاژهای پایه آلومینیوم، آلیاژهای پایه آنتیموان، آلیاژهای پایه منیزیم و سایر آلیاژها می‌شود. در حال حاضر، هیچ محصول تجاری در این زمینه وجود ندارد.

مواد آند مبتنی بر قلع: مواد آند مبتنی بر قلع را می‌توان به دو نوع اکسیدهای قلع و اکسیدهای ترکیبی مبتنی بر قلع تقسیم کرد. اکسیدها به اکسیدهای قلع فلزی در حالت‌های ظرفیت مختلف اشاره دارند. در حال حاضر، هیچ محصول تجاری در این زمینه موجود نیست.

در حال حاضر هیچ ماده آند لیتیوم-نیتروژن فلزات واسطه تجاری در دسترس نیست.

مواد نانومقیاس: نانولوله‌های کربنی، مواد آلیاژ نانویی.

مواد آند نانویی: مواد اکسید نانویی

 

II. سلول‌های باتری لیتیومی استوانه‌ای

1. برندهای سلول باتری لیتیومی استوانه‌ای

باتری‌های لیتیومی استوانه‌ای در میان شرکت‌های تولیدکننده باتری لیتیومی ژاپن و کره جنوبی محبوبیت دارند و تعداد قابل توجهی از شرکت‌های چینی نیز باتری‌های لیتیومی استوانه‌ای تولید می‌کنند. اولین باتری لیتیومی استوانه‌ای در سال 1992 توسط شرکت سونی ژاپن اختراع شد.

از جمله برندهای معروف سلول باتری لیتیومی استوانه‌ای می‌توان به سونی، پاناسونیک، سانیو، سامسونگ، ال جی، وانشیانگ A123، BAK و لیشن اشاره کرد.

 

2. انواع سلول‌های لیتیومی یون استوانه‌ای

سلول‌های لیتیوم-یونی استوانه‌ای معمولاً با پنج رقم نمایش داده می‌شوند. از سمت چپ، دو رقم اول قطر باتری را نشان می‌دهند، دو رقم سوم و چهارم ارتفاع باتری را مشخص می‌کنند و رقم پنجم نشان‌دهنده آن است که سلول گرد است. مدل‌های مختلفی از باتری‌های لیتیوم استوانه‌ای وجود دارند که رایج‌ترین آنها شامل 10400، 14500، 16340، 18650، 21700، 26650 و 32650 هستند.

① باتری 10440:
باتری 10440 باتری لیتیومی با قطر 10 میلی‌متر و ارتفاع 44 میلی‌متر است که اندازه‌ای مشابه همان چیزی دارد که ما معمولاً آن را «باتری اندازه 7» می‌نامیم. ظرفیت این نوع باتری عموماً بسیار کم است و تنها چند صد میلی‌آمپر ساعت (mAh) می‌باشد و عمدتاً در محصولات الکترونیکی کوچک مانند چراغ قوه، بلندگوهای کوچک و دستگاه‌های اخطار صوتی استفاده می‌شود.

② باتری 14500:
باتری 14500 یک باتری لیتیومی با قطر 14 میلی‌متر و ارتفاع 50 میلی‌متر است. این نوع باتری معمولاً دارای ولتاژ 3.7 ولت یا 3.2 ولت بوده و ظرفیت نامی نسبتاً کمی دارد که کمی بیشتر از باتری 10440 است و به‌طور معمول حدود 1600 میلی‌آمپر ساعت می‌باشد. این باتری عملکرد تخلیه عالی دارد و عمدتاً در تجهیزات الکترونیکی مصرفی مانند بلندگوهای بی‌سیم، اسباب‌بازی‌های برقی و دوربین‌های دیجیتال استفاده می‌شود.

③ باتری 16340.
باتری 16340 یک باتری لیتیومی با قطر 16 میلی‌متر و ارتفاع 34 میلی‌متر است. به دلیل ارتفاع کوتاه‌تر و ظرفیت نسبتاً بالا، این نوع باتری اغلب در چراغ‌های قوی، چراغ‌های LED، چراغ‌های سری، چراغ‌های لیزری و سایر تجهیزات روشنایی استفاده می‌شود.

④ باتری 18650:
باتری 18650 باتری لیتیومی با قطر 18 میلی‌متر و ارتفاع 65 میلی‌متر است. ویژگی برجسته آن، چگالی انرژی بسیار بالای آن است که تقریباً به 170 وات‌ساعت بر کیلوگرم می‌رسد. بنابراین، این نوع باتری از نظر هزینه بسیار مقرون‌به‌صرفه است. اکثر باتری‌هایی که در زندگی روزمره مشاهده می‌کنیم از این نوع هستند، زیرا این باتری لیتیومی نسبتاً بالغ بوده و از نظر کیفیت و پایداری سیستمی در تمام جنبه‌ها عملکرد خوبی دارد. این باتری به‌طور گسترده در کاربردهای ظرفیت باتری حدود 10 کیلووات‌ساعت، مانند تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی کوچک استفاده می‌شود.

⑤ باتری 21700:
باتری 21700 باتری لیتیومی با قطر 21 میلی‌متر و ارتفاع 70 میلی‌متر است. به دلیل افزایش اندازه آن، نرخ استفاده از فضا بهبود یافته و تراکم انرژی سلول‌های تکی و سیستم می‌تواند افزایش یابد. تراکم انرژی حجمی آن بسیار بالاتر از باتری 18650 است. این باتری به طور گسترده در محصولات دیجیتال، خودروهای برقی، وسایل نقلیه تعادلی، چراغ‌های خیابانی لیتیومی با انرژی خورشیدی، چراغ‌های LED، ابزارهای برقی و غیره استفاده می‌شود.

⑥ باتری 26650:
باتری 26650 باتری لیتیومی با قطر 26 میلی‌متر و ارتفاع 65 میلی‌متر است. این باتری دارای ولتاژ نامی 3.2 ولت و ظرفیت نامی 3200 میلی‌آمپر ساعت است. این نوع باتری دارای ظرفیت عالی و سازگاری بالا است و به تدریج جایگزین باتری‌های 18650 شده است. بسیاری از محصولات در زمینه باتری‌های قدرتی نیز به تدریج به سمت استفاده از این نوع باتری تمایل پیدا کرده‌اند.

⑦ باتری 32650
باتری 32650 باتری لیتیومی با قطر 32 میلی‌متر و ارتفاع 65 میلی‌متر است. این نوع باتری قابلیت تخلیه پیوسته قوی‌ای دارد، بنابراین برای اسباب‌بازی‌های برقی، منبع تغذیه پشتیبان، باتری‌های UPS، سیستم‌های تولید انرژی بادی و سیستم‌های تولید انرژی ترکیبی بادی-خورشیدی مناسب‌تر است.

سه: توسعه بازار باتری لیتیومی استوانه‌ای

پیشرفت‌های فناوری باتری‌های لیتیوم-یون استوانه‌ای عمدتاً ناشی از تحقیقات نوآورانه و کاربرد مواد کلیدی باتری است. توسعه مواد جدید عملکرد باتری را بهبود می‌بخشد، کیفیت را افزایش می‌دهد، هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و ایمنی را بهبود می‌بخشد. برای پاسخگویی به نیازهای کاربردهای پایین‌دست در مورد انرژی ویژه بالاتر باتری، این امر از طریق استفاده از مواد با ظرفیت ویژه بالا و افزایش ولتاژ شارژ از طریق به‌کارگیری مواد با ولتاژ بالا حاصل می‌شود.

باتری‌های لیتیوم-یونی استوانه‌ای از نوع 14500 تا باتری تسلا 21700 توسعه یافته‌اند. در دوره کوتاه‌مدت و میان‌مدت، ضمن بهینه‌سازی فناوری‌های موجود باتری‌های قدرت لیتیوم-یونی برای پاسخگویی به نیازهای توسعه گسترده خودروهای انرژی جدید، تمرکز بر توسعه باتری‌های قدرت جدید لیتیوم-یونی، بهبود ایمنی، سازگاری و عمر آنها و همچنین انجام تحقیق و توسعه پیش‌گیرانه در مورد سیستم‌های باتری قدرت جدید است.

برای توسعه میان‌مدت و بلندمدت باتری‌های لیتیوم-یونی استوانه‌ای، ضمن بهینه‌سازی و بهبود مداوم باتری‌های قدرت جدید لیتیوم-یونی، تمرکز بر توسعه سیستم‌های باتری قدرت جدید برای بهبود چشمگیر انرژی ویژه، کاهش شدید هزینه‌ها و تحقق کاربرد عملی و کاربرد گسترده سیستم‌های باتری قدرت جدید خواهد بود.