Potpuni vodič kroz cilindrične Li-ion baterije: vrste, performanse i primjene

Cilindrične litij-ionske baterije dijele se na različite sustave poput litij-fosfata željeza, litij-kobalt-oksida, litij-mangan-oksida, hibrida kobalta i mangan, te ternarnih materijala. Kućište se dijeli na čelično i polimerno kućište. Različiti materijalni sustavi imaju različite prednosti.

Potpun popis modela cilindričnih litij-ionskih baterija

Model ćelije	nominalni napon	Kapacitet (mAh)	Temperatura punjenja (°C)	Temperatura pražnjenja (°C)	Struja punjenja (A)	Struja pražnjenja (A)
ICR18650 (ternarni)	smanjenje	2200	0~45	-40~+60	2,2 A (sobna temperatura 1C)	10A (normalna temperatura 5C)
ICR18650 (ternarni)	smanjenje	2500	0~45	-40~+60	2,5A (sobna temperatura 1C)	25A (sobna temperatura 10°C)
ICR18650 (ternarni)	smanjenje	3000	0~45	-40~+60	3,0A (normalna temperatura 1C)	15A (5°C)
ICR21700 (Ternarno)	smanjenje	4000	0~45	-40~+60	4,0A (normalna temperatura 1C)	40A (normalna temperatura 10C)
NCR18650B (Ternarno)	3,6 V	3350	0~45	-20~60	1,625A	4,875 A
INR18650-30Q (Ternarni)	3,6 V	3000	0~45	-20~75	0.5c	15A
IFR26650 (Litij-željezo-fosfat)	3.2V	3200	-20~+45	-40~+60	3,2 A (sobna temperatura 1C)	10 A (sobna temperatura 3C)
IFR32700 (Litij-željezo-fosfat)	3.2V	5000	-20~+45	-40~+60	5,0 A (normalna temperatura 1C)	25 A (5°C)
IFR26650 E3400	3.2V	3400	0~60	-10~60	2.0A	10,2 A

I. Što je cilindrična litijeva baterija?

1. Definicija cilindrične baterije

Cilindrične litijeve baterije svrstavaju se u različite sustave, uključujući litij-fosfat, litij-kobalt-oksidi, litij-mangan-oksidi, kobalt-mangan hibrid i trostruke materijale. Kućišta su dostupna u čeličnim i polimernim tipovima, svaki s vlastitim prednostima. Trenutačno su najčešće prisutne cilindrične litij-fosfatne baterije s čeličnim kućištima. Ove baterije imaju prednosti poput visokog kapaciteta, visokog izlaznog napona, dobre performanse ciklusa punjenja-pražnjenja, stabilnog izlaznog napona, sposobnosti pražnjenja pri visokoj struji, stabilnih elektrokemijskih svojstava, sigurnosti, širokog raspona radnih temperatura i ekološke ispravnosti. Široko se koriste u solarnom osvjetljenju, vrtnom osvjetljenju, rezervnom napajanju, električnim alatima i modelima igračaka.

2. Struktura cilindrične baterije

Tipična cilindrična struktura baterije uključuje: kućište, poklopac, pozitivnu elektrodu, negativnu elektrodu, separator, elektrolit, PTC element, brtvu, sigurnosni ventil itd. Uobičajeno je da je kućište baterije negativna elektroda, a poklopac pozitivna elektroda. Kućište baterije izrađeno je od niklom posrebranog čelika.

3. Prednosti cilindričnih litijevih baterija

U usporedbi s mehurićastim i prizmatičnim litijevim baterijama, cilindrične litijeve baterije imaju najdužu povijest razvoja, veći stupanj standardizacije, zreliju tehnologiju, višu stopu ispravnosti proizvoda i niže troškove.

Zrela proizvodna tehnologija, niska cijena paketa, visoka isplativost baterijskih proizvoda i dobra učinkovitost rasipanja topline.

Cilindrične baterije uspostavile su niz međunarodno usklađenih standardnih specifikacija i modela, s zrelom tehnologijom pogodnom za masovnu kontinuiranu proizvodnju. Cilindrični oblik ima veliku specifičnu površinu, što rezultira dobrim rasipanjem topline.

Cilindrične baterije su općenito zaptjevane baterije, a tijekom uporabe ne postoje pitanja o održavanju.

Kućište baterije ima visoku otpornost na tlak i neće pokazivati pojave kao što su napuhavanje, kakve se mogu vidjeti kod kvadratnih ili mekih paketnih baterija tijekom uporabe.

4. Materijal katode cilindrične baterije

Trenutačno glavni komercijalni materijali katode za cilindrične baterije uključuju litij-kobalt-oksid (LiCoO2), litij-mangan-oksid (LiMn2O4), trostruki litij (NMC) i litij-željezo-fosfat (LiFePO4). Različiti materijalni sustavi imaju različite karakteristike, kako je uspoređeno u nastavku:

projekt	Litij-kobalt-oksid (LiCoO₂)	Trostruki litij (LiNiCoMnO₂)	Litij-mangan-oksid (LiMn₂O₄)	Litijev željezni fosfat (LiFePO₄)
Gustina tapa (g/cm³)	2.8~3.0	2.0~2.3	2.2~2.4	1.0~1.4
Specifična površina (m²/g)	0.4~0.6	0.2~0.4	0.4~0.8	12~20
Kapacitet (mAh/g)	135~140	140~180	90~100	130~140
Naponska ravnina (V)	3.7	3.5	3.8	3.2
Ciklična učinkovitost	≥500 puta	≥500 puta	≥300 puta	≥2000 puta
Troškovi sirovina	Visoko (sadržaj kobalta)	Visoko (sadrži nikal i kobalt)	niska	niska
Zaštita okoliša	Sadrži kobalt (niska ekološka prihvatljivost)	Sadrži nikal i kobalt (Kineska zaštita okoliša)	Neštetan	Neštetan
Sigurnosni performansi	Loše	bolje	dobar	izvrsno
Područja primjene	Male baterije	Mala baterija za pogon	Baterije za pogon, niskotrošne baterije	Snage baterije/ultra-veliki izvori energije
prednost	Baterije srednje i male veličine imaju stabilne performanse	Stabilni elektrokemijski učinak	Mangan je obilan i niski troškovi	Visoka sigurnost i dug vijek trajanja
nedostatak	Visoka cijena kobalta i nizak broj ciklusa punjenja	Kobalt i nikal su skupi	Niska gustoća energije	Slabe performanse na niskim temperaturama

5. Anodni materijal za cilindrične baterije

Cilindrični anodni materijali za baterije mogu se grubo podijeliti u šest tipova: ugljični anodni materijali, legirani anodni materijali, kositreni anodni materijali, anodni materijali na bazi litija i prijelaznih metalnih nitrida, nanostrukturni materijali i nano anodni materijali.

Ugljični nanostrukturni anodni materijali: Trenutačno su anodni materijali koji se stvarno koriste u litij-ionskim baterijama u osnovi ugljični materijali, poput umjetnog grafitа, prirodnog grafitа, mezofaznih ugljičnih mikrokuglica, petrolejskog koka, ugljičnih vlakana, ugljika od pirolitičkih smola itd.

Legirani anodni materijali uključuju slitine na bazi kositra, silicija, germanija, aluminija, antimona, magnezija i druge slitine. Trenutačno ne postoje komercijalno dostupni proizvodi.

Anodni materijali na bazi kositra: Anodni materijali na bazi kositra mogu se podijeliti u dvije kategorije: oksidi kositra i kompozitni oksidi na bazi kositra. Oksidi se odnose na okside metalnog kositra u različitim valentnim stanjima. Trenutačno nema dostupnih komercijalnih proizvoda.

Trenutačno nema dostupnih komercijalnih anodnih materijala na bazi litijevih prijelaznih metalnih nitrida.

Nanosklopni materijali: ugljične nano cijevi, nano slitine.

Nano anodni materijali: nano oksidni materijali

 

II. Cilindrične litijeve baterije

1. Marke cilindričnih litij-ionskih ćelija

Cilindrične litijeve baterije popularne su među tvrtkama proizvođačima litijevih baterija u Japanu i Južnoj Koreji, a brojne tvrtke u Kini također proizvode cilindrične litijeve baterije. Prvu cilindričnu litijevu bateriju izumjela je 1992. godine japanska korporacija Sony.

Poznate marke cilindričnih litij-ionskih baterijskih ćelija uključuju: Sony, Panasonic, Sanyo, Samsung, LG, Wanxiang A123, BAK i Lishen.

 

2. Vrste cilindričnih litij-ionskih ćelija

Cilindrične litij-ionske ćelije obično su prikazane s pet znamenki. Računajući s lijeva, prve dvije znamenke označavaju promjer baterije, treća i četvrta znamenka označavaju visinu baterije, a peta znamenka označava da je ćelija kružnog oblika. Postoji mnogo modela cilindričnih litijevih baterija, a uobičajeni su npr. 10400, 14500, 16340, 18650, 21700, 26650 i 32650.

① Baterija 10440:
Baterija 10440 je litijeva baterija promjera 10 mm i visine 44 mm, iste veličine kao što se obično naziva "baterija tipa 7". Ovaj tip baterije općenito ima vrlo malu kapacitet, samo nekoliko stotina mAh, te se uglavnom koristi u minijaturnim elektroničkim uređajima, poput svjetiljki, minijaturnih zvučnika i megafona.

② Baterija 14500:
Baterija 14500 je litijumska baterija promjera 14 mm i visine 50 mm. Ova vrsta baterije je najčešće 3,7 V ili 3,2 V, s relativno malim nazivnim kapacitetom, nešto većim od baterije 10440, općenito 1600 mAh. Ima izvrsne performanse pražnjenja i uglavnom se koristi u potrošačkoj elektronici, poput bežičnih zvučnika, električnih igračaka i digitalnih fotoaparata.

③ Baterija 16340.
Baterija 16340 je litijumska baterija promjera 16 mm i visine 34 mm. Zbog svoje kraće visine i relativno velikog kapaciteta, ova vrsta baterije često se koristi u jakim baterijskim svjetiljkama, LED svjetiljkama, naslonskim svjetiljkama, laserskim svjetlima i drugim rasvjetnim uređajima.

④ Baterija 18650:
Baterija 18650 je litijeva baterija promjera 18 mm i visine 65 mm. Njezina najveća značajka je vrlo visoka gustoća energije, gotovo 170 Wh/kg. Stoga je ova vrsta baterije ekonomična. Većina baterija koje u svakodnevnom životu vidimo pripada upravo ovom tipu, jer je riječ o relativno zreloj litijevoj bateriji koja u svim aspektima pokazuje dobru kvalitetu i stabilnost sustava. Široko se koristi u aplikacijama kapaciteta baterije od oko 10 kWh, poput mobitela, laptopova i drugih malih elektroničkih uređaja.

⑤ Baterija 21700:
Baterija 21700 je litijeva baterija promjera 21 mm i visine 70 mm. Zbog povećane veličine, poboljšana je iskorištenost prostora, a time i energetska gustoća pojedinačnih ćelija i sustava. Njena volumetrijska energetska gustoća znatno je veća u odnosu na bateriju 18650. Široko se koristi u digitalnim proizvodima, električnim vozilima, vozilima na ravnoteži, solarne ulične svjetiljke s litijevim baterijama, LED svjetlima, električnim alatima itd.

⑥ Baterija 26650:
Baterija 26650 je litijeva baterija promjera 26 mm i visine 65 mm. Ima nazivni napon od 3,2 V i nazivni kapacitet od 3200 mAh. Ova vrsta baterije ima izvrsan kapacitet i visoku dosljednost te postupno postaje zamjena za baterije 18650. Mnogi proizvodi na području baterija za pogon sve više će favorizirati upravo ovu vrstu.

⑦ Baterija 32650
Baterija 32650 je litijeva baterija promjera 32 mm i visine 65 mm. Ova vrsta baterije ima jaku sposobnost kontinuiranog pražnjenja, pa je prikladnija za električne igračke, rezervnu energiju, UPS baterije, sustave proizvodnje električne energije vjetrom i hibridne vjetro-solarne sustave proizvodnje električne energije.

III. Razvoj tržišta cilindričnih litijevih baterija

Napredak u tehnologiji cilindričnih litij-ionskih baterija proizlazi prvenstveno iz inovativnih istraživanja i primjene ključnih materijala za baterije. Razvoj novih materijala dodatno poboljšava performanse baterija, povećava kvalitetu, smanjuje troškove i poboljšava sigurnost. Kako bi se zadovoljile potrebe nizvodnih aplikacija za većom specifičnom energijom baterija, to se postiže korištenjem materijala s visokom specifičnom snagom i povećanjem napona punjenja korištenjem materijala za visoki napon.

Cilindrične litij-ionske baterije razvile su se od 14500 do Tesline 21700 baterije. U bliskoj i srednjoročnoj perspektivi, dok se optimiziraju postojeće tehnologije litij-ionskih pogonskih baterija kako bi zadovoljile potrebe velikih razvoja vozila na obnovljivu energiju, fokus je na razvoju novih litij-ionskih pogonskih baterija, poboljšanju njihove sigurnosti, dosljednosti i vijeka trajanja, te istodobnom provedbi prethodne istraživačke i razvojne djelatnosti novih sustava pogonskih baterija.

Za srednjoročni i dugoročni razvoj cilindričnih litij-ionskih baterija, dok se kontinuirano optimiziraju i unapređuju nove litij-ionske pogonske baterije, usredotočit ćemo se na razvoj novih sustava pogonskih baterija kako bi se znatno poboljšala specifična energija, drastično smanjili troškovi i ostvarila praktična i masovna primjena novih sustava pogonskih baterija.