Kompletny przewodnik po cylindrycznych bateriach litowo-jonowych: typy, wydajność i zastosowania

Cylindryczne baterie litowe dzielą się na różne systemy, takie jak fosforan litu żelaza, tlenek litu kobaltu, tlenek litu manganu, hybryda kobalt-mangan oraz materiały trójskładnikowe. Obudowy dzielą się na stalowe i polimerowe. Różne systemy materiałowe mają różne zalety.

Pełna lista modeli baterii litowych cylindrycznych

Model komórki	napięcie nominalne	Pojemność (mAh)	Temperatura ładowania (°C)	Temperatura rozładowania (°C)	Prąd ładowania (A)	Prąd rozładowy (a)
ICR18650 (trójskładnikowa)	3.7V	2200	0~45	-40~+60	2,2 A (temperatura pokojowa 1C)	10 A (temperatura normalna 5C)
ICR18650 (trójskładnikowa)	3.7V	2500	0~45	-40~+60	2,5 A (temperatura pokojowa 1C)	25A (temperatura pokojowa 10°C)
ICR18650 (trójskładnikowa)	3.7V	3000	0~45	-40~+60	3,0A (temperatura normalna 1C)	15A (5°C)
ICR21700 (Trójskładnikowy)	3.7V	4000	0~45	-40~+60	4,0A (temperatura normalna 1C)	40A (temperatura normalna 10C)
NCR18650B (Trójskładnikowy)	3,6 V	3350	0~45	-20~60	1,625A	4,875A
INR18650-30Q (Trójskładnikowy)	3,6 V	3000	0~45	-20~75	0,5c	15A
IFR26650 (fosforan żelaza-litu)	3,2 V	3200	-20~+45	-40~+60	3,2 A (temperatura pokojowa 1C)	10 A (temperatura pokojowa 3C)
IFR32700 (fosforan żelaza-litu)	3,2 V	5000	-20~+45	-40~+60	5,0 A (temperatura normalna 1C)	25 A (5°C)
IFR26650 E3400	3,2 V	3400	0~60	-10~60	2.0A	10.2A

I. Co to jest cylindryczne ogniwo litowe?

1. Definicja baterii cylindrycznej

Baterie litowo-cylindryczne są klasyfikowane do różnych systemów, w tym fosforanu litowo-żelazowego, tlenku litowo-kobaltowego, tlenku litowo-manganowego, hybrydy kobaltowo-manganowej oraz materiałów trójskładnikowych. Obudowy są dostępne w wersjach stalowych i polimerowych, każda z własnymi zaletami. Obecnie najczęściej spotykane są cylindryczne baterie litowo-fosforanowe z obudową stalową. Oferują one takie zalety jak duża pojemność, wysokie napięcie wyjściowe, dobra wydajność cyklu ładowania i rozładowania, stabilne napięcie wyjściowe, możliwość rozładowania przy wysokim prądzie, stabilna wydajność elektrochemiczna, bezpieczeństwo, szeroki zakres temperatur pracy oraz przyjazność dla środowiska. Są powszechnie stosowane w oświetleniu solarnym, oświetleniu trawnikowym, zasilaniu rezerwowym, narzędziach elektrycznych oraz modelach zabawkowych.

2. Struktura baterii cylindrycznej

Typowa struktura baterii cylindrycznej obejmuje: obudowę, nakrętkę, elektrodę dodatnią, elektrodę ujemną, separator, elektrolit, element PTC, uszczelkę, zawór bezpieczeństwa itp. Zazwyczaj obudowa baterii jest elektrodą ujemną, a nakrętka – elektrodą dodatnią. Obudowa baterii wykonana jest ze stali ocynkowanej nikielowanej.

3. Zalety baterii litowych cylindrycznych

W porównaniu z bateriami litowymi w formie foliowej i pryzmatycznych, baterie litowe cylindryczne mają najdłuższą historię rozwoju, wyższy stopień standaryzacji, bardziej dojrzałą technologię, wyższy współczynnik wydajności produkcji oraz niższy koszt.

Dojrzały proces produkcyjny, niski koszt pakowania, wysoka wydajność produktu baterii oraz dobra wydajność odprowadzania ciepła.

Baterie cylindryczne ustaliły szereg międzynarodowych standardów unifikowanych specyfikacji i modeli, z dojrzałą technologią odpowiednią do masowej ciągłej produkcji. Kształt cylindryczny ma dużą powierzchnię właściwą, co przekłada się na dobrą dysypację ciepła.

Baterie cylindryczne są zazwyczaj bateriami hermetycznymi i nie wymagają konserwacji podczas użytkowania.

Obudowa baterii charakteryzuje się wysoką odpornością na ciśnienie i nie występują zjawiska takie jak wybrzuszenia, obserwowane w przypadku baterii o kształcie kwadratowym lub w miękkich opakowaniach podczas użytkowania.

4. Materiał katody baterii cylindrycznej

Obecnie powszechnie stosowane materiały katodowe w komercyjnych bateriach cylindrycznych to głównie tlenek litu i kobaltu (LiCoO2), tlenek litu i manganu (LiMn2O4), trójskładnikowy lit (NMC) oraz fosforan litu i żelaza (LiFePO4). Różne systemy materiałowe mają różne właściwości, porównanie przedstawiono poniżej:

projekt	Tlenek litu i kobaltu (LiCoO₂)	Trójskładnikowy lit (LiNiCoMnO₂)	Tlenek litu i manganu (LiMn₂O₄)	Litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO₄)
Gęstość spakowana (g/cm³)	2.8~3.0	2.0~2.3	2.2~2.4	1.0~1.4
Powierzchnia właściwa (m²/g)	0.4~0.6	0.2~0.4	0.4~0.8	12~20
Pojemność (mAh/g)	135~140	140~180	90~100	130~140
Stała napięciowa (V)	3.7	3.5	3.8	3.2
Wydajność cykliczna	≥500 Razy	≥500 Razy	≥300 razy	≥ 2000 razy
Koszty surowców	Wysoka (zawartość kobaltu)	Wysoka (zawierająca nikiel i kobalt)	niski	niski
Ochrona środowiska	Zawiera kobalt (niska przyjazność dla środowiska)	Zawiera nikiel i kobalt (ochrona środowiska w Chinach)	Nietoksyczny	Nietoksyczny
Wydajność bezpieczeństwa	Biedny	lepiej.	dobre	doskonały
Obszary zastosowań	Małe baterie	Mała bateria zasilająca	Baterie zasilające, tanie baterie	Baterie zasilające/ultra duży akumulator
zalety	Małe i średnie baterie charakteryzują się stabilną wydajnością	Stabilna wydajność elektrochemiczna	Zasoby manganu są obfite i niskie w koszcie	Wysokie bezpieczeństwo i długi okres użytkowania
brak	Wysoka cena kobaltu i niska trwałość cyklu	Kobalt i nikiel są drogie	Niska gęstość energii	Słabe działanie w niskich temperaturach

5. Materiał anodowy do baterii cylindrycznych

Materiały anodowe do baterii cylindrycznych można ogólnie podzielić na sześć typów: materiały węglowe, materiały stopowe, materiały oparte na cynie, materiały azotkowe litu z metalami przejściowymi, materiały nanoskalowe i materiały nanoanodowe.

Nanoskalowe materiały węglowe do anody: Obecnie materiały anodowe faktycznie stosowane w bateriach litowo-jonowych to głównie materiały węglowe, takie jak grafit syntetyczny, grafit naturalny, mikrokulki z węgla mezostrukturalnego, koks naftowy, włókno węglowe, węgiel z żywicy pirogennej itp.

Materiały anodowe na bazie stopów obejmują stopy cyny, stopy krzemu, stopy germanu, stopy glinu, stopy antymonu, stopy magnezu oraz inne stopy. Obecnie nie ma dostępnych produktów komercyjnych.

Materiały anodowe na bazie cyny: Materiały anodowe na bazie cyny można podzielić na dwa typy: tlenki cyny oraz kompozytowe tlenki cyny. Tlenki odnoszą się do tlenków cyny metalicznej w różnych stanach walencyjnych. Obecnie nie ma dostępnych produktów komercyjnych.

Obecnie nie ma dostępnych komercyjnie materiałów anodowych litowo-metalicznych azotków przejściowych.

Materiały nanoskalowe: nanorurki węglowe, materiały nano-stopowe.

Materiały nanoanodowe: materiały nano-tlenkowe

 

II. Cylindryczne ogniwa litowe

1. Marki cylindrycznych ogniw litowo-jonowych

Baterie litowe cylindryczne są popularne wśród firm produkujących baterie litowe w Japonii i Korei Południowej, a także w Chinach istnieje znaczna liczba przedsiębiorstw produkujących cylindryczne baterie litowe. Najwcześniejszą cylindryczną baterię litową wynalazła w 1992 roku firma Sony z Japonii.

Znane marki ogniw litowo-jonowych cylindrycznych to m.in.: Sony, Panasonic, Sanyo, Samsung, LG, Wanxiang A123, BAK oraz Lishen.

 

2. Typy ogniw litowo-jonowych cylindrycznych

Ogniwa litowo-jonowe cylindryczne są zwykle oznaczone pięcioma cyframi. Licząc od lewej strony, dwie pierwsze cyfry wskazują średnicę baterii, trzecia i czwarta cyfra wskazują wysokość baterii, a piąta cyfra oznacza, że ogniwo ma kształt okrągły. Istnieje wiele modeli baterii litowych cylindrycznych, do najczęściej spotykanych należą: 10400, 14500, 16340, 18650, 21700, 26650 oraz 32650.

① Bateria 10440:
Bateria 10440 to bateria litowa o średnicy 10 mm i wysokości 44 mm, tego samego rozmiaru co tzw. "bateria typu 7". Ten rodzaj baterii charakteryzuje się zazwyczaj bardzo małą pojemnością, zaledwie kilkaset mAh, i jest głównie stosowany w mini urządzeniach elektronicznych, takich jak latarki, miniaturowe głośniki czy megafony.

② Bateria 14500:
Bateria 14500 to bateria litowa o średnicy 14 mm i wysokości 50 mm. Ten rodzaj baterii ma zazwyczaj napięcie 3,7 V lub 3,2 V oraz relatywnie niewielką pojemność nominalną, nieco większą niż bateria 10440 – zazwyczaj około 1600 mAh. Charakteryzuje się doskonałymi parametrami rozładowania i jest głównie stosowana w elektronice użytkowej, takiej jak bezprzewodowe głośniki, zabawki elektryczne czy aparaty cyfrowe.

③ Bateria 16340.
Bateria 16340 to bateria litowa o średnicy 16 mm i wysokości 34 mm. Ze względu na mniejszą wysokość i stosunkowo dużą pojemność, ten typ baterii często występuje w mocnych latarkach, latarkach LED, lampach czołowych, laserowych źródłach światła oraz innych oprawach oświetleniowych.

④ Bateria 18650:
Bateria 18650 to bateria litowa o średnicy 18 mm i wysokości 65 mm. Jej największą cechą jest bardzo wysoka gęstość energii, wynosząca prawie 170 Wh/kg. Dlatego też ten typ baterii jest rozwiązaniem opłacalnym. Większość baterii, które widzimy w codziennym życiu, to właśnie ten typ, ponieważ jest dojrzałą technologią wśród baterii litowych, charakteryzującą się dobrą jakością systemu i stabilnością we wszystkich aspektach. Jest powszechnie stosowana w zastosowaniach wymagających pojemności około 10 kWh, takich jak telefony komórkowe, laptopy i inne małe urządzenia elektroniczne.

⑤ Bateria 21700:
Bateria 21700 to bateria litowa o średnicy 21 mm i wysokości 70 mm. Dzięki zwiększonym rozmiarom poprawa ulega wykorzystanie przestrzeni, a gęstość energii pojedynczych ogniw oraz całego systemu może być zwiększona. Jej objętościowa gęstość energii jest znacznie wyższa niż w przypadku baterii 18650. Jest powszechnie stosowana w produktach cyfrowych, pojazdach elektrycznych, pojazdach równowagowych, oświetleniu ulicznym zasilanym ogniwami litowymi i energią słoneczną, lampach LED, narzędziach elektrycznych itp.

⑥ Bateria 26650:
Bateria 26650 to bateria litowa o średnicy 26 mm i wysokości 65 mm. Ma napięcie znamionowe 3,2 V i pojemność znamionową 3200 mAh. Ten typ baterii charakteryzuje się doskonałą pojemnością i wysoką spójnością, stopniowo stając się zamiennikiem baterii 18650. Wiele produktów z obszaru akumulatorów trakcyjnych będzie również stopniowo preferować właśnie ten typ.

⑦ Bateria 32650
Bateria 32650 to bateria litowa o średnicy 32 mm i wysokości 65 mm. Ten typ baterii charakteryzuje się silną możliwością ciągłego rozładowania, dlatego jest bardziej odpowiedni do zastosowania w zabawkach elektrycznych, zasilaniu rezerwowym, bateriach UPS, systemach generowania energii wiatrowej oraz hybrydowych systemach generowania energii wiatrowo-słonecznej.

III. Rozwój rynku cylindrycznych baterii litowych

Postępy w technologii cylindrycznych baterii litowo-jonowych wynikają przede wszystkim z innowacyjnych badań i zastosowania kluczowych materiałów baterii. Rozwój nowych materiałów dalszym polepsza wydajność baterii, podnosi jakość, obniża koszty i zwiększa bezpieczeństwo. Aby spełnić wymagania aplikacji wtórnych dotyczące wyższej gęstości energii baterii, osiąga się to poprzez stosowanie materiałów o wysokiej pojemności właściwej oraz zwiększanie napięcia ładowania dzięki zastosowaniu materiałów wysokonapięciowych.

Ogniwowa bateria litowo-jonowa rozwinęła się od typu 14500 do baterii Tesla 21700. W najbliższym i średnim horyzoncie czasu, podczas optymalizowania istniejących technologii baterii trakcyjnych litowo-jonowych w celu zaspokojenia potrzeb dużego rozwoju pojazdów napędzanych alternatywną energią, główny nacisk kładziony jest na rozwój nowych baterii trakcyjnych litowo-jonowych, poprawę ich bezpieczeństwa, spójności i dłuższej żywotności oraz równoległe prowadzenie badań i prac rozwojowych dotyczących nowych systemów baterii trakcyjnych.

W średnim i długim okresie rozwoju ogniw cylindrycznych litowo-jonowych, przy ciągłej optymalizacji i doskonaleniu nowych baterii litowo-jonowych, główny nacisk będzie położony na rozwój nowych systemów baterii trakcyjnych w celu znaczącego zwiększenia gęstości energii, drastycznego obniżenia kosztów oraz realizacji praktycznego i masowego wykorzystania nowych systemów baterii trakcyjnych.