Полное руководство по цилиндрическим литий-ионным батареям: типы, характеристики и области применения

Цилиндрические литиевые батареи делятся на различные системы, такие как фосфат лития железа, оксид лития-кобальта, оксид лития-марганца, гибрид кобальта и марганца, а также тройные материалы. Корпус делится на стальной и полимерный. Разные материальные системы обладают различными преимуществами.

Полный список моделей цилиндрических литиевых батарей

Модель ячейки	номинальное напряжение	Емкость (мА·ч)	Температура зарядки (°C)	Температура разрядки (°C)	Ток зарядки (A)	Тока разряда (A)
ICR18650 (Тройной компонент)	3.7V	2200	0~45	-40~+60	2,2 А (при комнатной температуре 1C)	10 А (при нормальной температуре 5C)
ICR18650 (Тройной компонент)	3.7V	2500	0~45	-40~+60	2,5 А (при комнатной температуре 1C)	25A (температура помещения 10°C)
ICR18650 (Тройной компонент)	3.7V	3000	0~45	-40~+60	3,0A (нормальная температура 1C)	15A (5°C)
ICR21700 (Тройной)	3.7V	4000	0~45	-40~+60	4,0A (нормальная температура 1C)	40A (нормальная температура 10C)
NCR18650B (Тройной)	3,6 В	3350	0~45	-20~60	1,625A	4,875A
INR18650-30Q (Тройной)	3,6 В	3000	0~45	-20~75	0,5c	15А
IFR26650 (фосфат лития-железа)	3,2 В	3200	-20~+45	-40~+60	3,2 А (комнатная температура, 1C)	10 А (комнатная температура, 3C)
IFR32700 (фосфат лития-железа)	3,2 В	5000	-20~+45	-40~+60	5,0 А (нормальная температура, 1C)	25 А (5°C)
IFR26650 E3400	3,2 В	3400	0~60	-10~60	2.0А	10.2A

Я. Что такое цилиндрический литиевый аккумулятор?

1. Определение цилиндрического аккумулятора

Цилиндрические литиевые батареи подразделяются на различные системы, включая фосфат лития-железа, оксид лития-кобальта, оксид лития-марганца, гибрид кобальта и марганца, а также тройные материалы. Корпуса доступны из стали и полимерных материалов, каждый из которых имеет свои преимущества. В настоящее время наиболее распространены цилиндрические батареи на основе фосфата лития-железа со стальным корпусом. Эти батареи обладают такими преимуществами, как высокая ёмкость, высокое выходное напряжение, хорошая производительность циклов заряда-разряда, стабильное выходное напряжение, способность к разряду при высоком токе, стабильные электрохимические характеристики, безопасность, широкий диапазон рабочих температур и экологичность. Они широко используются в солнечных светильниках, освещении газонов, резервных источниках питания, электроинструментах и моделях игрушек.

2. Структура цилиндрической батареи

Типичная цилиндрическая конструкция батареи включает: корпус, колпачок, положительный электрод, отрицательный электрод, сепаратор, электролит, элемент PTC, прокладку, предохранительный клапан и т.д. Обычно корпус батареи является отрицательным электродом, а колпачок — положительным электродом. Корпус батареи изготовлен из никелированной стали.

3. Преимущества цилиндрических литиевых батарей

По сравнению с литиевыми батареями в мягкой упаковке и призматическими, цилиндрические литиевые батареи имеют наиболее длительную историю развития, более высокую степень стандартизации, более зрелые технологии, более высокий процент выхода годных изделий и более низкую стоимость.

Зрелый производственный процесс, низкая стоимость сборки (PACK), высокий процент выхода продукции и хорошая теплоотдача.

Для цилиндрических батарей установлен ряд международных стандартов, спецификаций и моделей, технология производства которых является зрелой и подходит для массового непрерывного производства. Цилиндрическая форма обладает большой удельной поверхностью, что обеспечивает хорошее рассеивание тепла.

Цилиндрические аккумуляторы, как правило, являются герметичными, и в процессе эксплуатации не требуют обслуживания.

Корпус аккумулятора обладает высокой устойчивостью к давлению и в процессе использования не проявляет таких явлений, как вздутие, характерное для призматических или мягких пакетных аккумуляторов.

4. Катодный материал цилиндрического аккумулятора

В настоящее время основными коммерческими катодными материалами для цилиндрических аккумуляторов являются оксид кобальта лития (LiCoO₂), оксид марганца лития (LiMn₂O₄), тройной литий (NMC) и фосфат железа лития (LiFePO₄). Разные материальные системы обладают различными характеристиками, сравнение которых приведено ниже:

проект	Оксид кобальта лития (LiCoO₂)	Тройной литий (LiNiCoMnO₂)	Оксид марганца лития (LiMn₂O₄)	Литий-железо-фосфатный (LiFePO₄)
Тепловая плотность (г/см³)	2.8~3.0	2.0~2.3	2.2~2.4	1.0~1.4
Удельная поверхность (м²/г)	0.4~0.6	0.2~0.4	0.4~0.8	12~20
Емкость (мА·ч/г)	135~140	140~180	90~100	130~140
Плато напряжения (В)	3.7	3.5	3.8	3.2
Циклическая производительность	≥ 500 раз	≥ 500 раз	≥300 раз	≥2000 раз
Стоимость сырья	Высокое (содержание кобальта)	Высокое (содержит никель и кобальт)	низкий	низкий
Защита окружающей среды	Содержит кобальт (низкая экологичность)	Содержит никель и кобальт (экологическая защита Китая)	Нетоксичный	Нетоксичный
Эффективность безопасности	Бедная	лучше	хорошо	отличный
Области применения	Малые батареи	Малая силовая батарея	Силовые батареи, недорогие батареи	Силовые батареи/сверхбольшие источники питания
преимущества	Малые и средние батареи имеют стабильные характеристики	Стабильные электрохимические характеристики	Ресурсы марганца abundantны и имеют низкую стоимость	Высокая безопасность и длительный срок службы
недостатки	Высокая цена кобальта и низкий срок циклической жизни	Кобальт и никель являются дорогостоящими	Низкая энергоемкость	Плохая производительность при низких температурах

5. Анодный материал для цилиндрических аккумуляторов

Анодные материалы для цилиндрических аккумуляторов можно условно разделить на шесть типов: углеродные анодные материалы, сплавные анодные материалы, оловянные анодные материалы, литийсодержащие азотированные анодные материалы на основе переходных металлов, наномасштабные материалы и наноанодные материалы.

Углеродные наномасштабные анодные материалы: в настоящее время анодные материалы, фактически используемые в литий-ионных аккумуляторах, в основном представляют собой углеродные материалы, такие как искусственный графит, природный графит, микросферы из мезофазного углерода, нефтяной кокс, углеродное волокно, пиролитический смолистый углерод и другие.

Материалы анодов на основе сплавов включают оловянные сплавы, кремниевые сплавы, германиевые сплавы, алюминиевые сплавы, сурьмяные сплавы, магниевые сплавы и другие сплавы. В настоящее время коммерчески доступных продуктов нет.

Оловянные анодные материалы: Оловянные анодные материалы можно разделить на два типа: оксиды олова и композитные оксиды на основе олова. Оксиды означают оксиды металлического олова в различных валентных состояниях. В настоящее время коммерчески доступных продуктов нет.

В настоящее время отсутствуют коммерчески доступные литиевые анодные материалы на основе нитридов переходных металлов.

Наноматериалы: углеродные нанотрубки, наносплавы.

Нано-анодные материалы: нанооксидные материалы

 

II. Цилиндрические литиевые элементы

1. Бренды цилиндрических литий-ионных элементов

Цилиндрические литиевые батареи популярны среди компаний, производящих литиевые батареи в Японии и Южной Корее, а также существует значительное количество компаний в Китае, выпускающих цилиндрические литиевые батареи. Первая цилиндрическая литиевая батарея была изобретена японской корпорацией Sony в 1992 году.

Известные бренды цилиндрических литий-ионных элементов: Sony, Panasonic, Sanyo, Samsung, LG, Wanxiang A123, BAK и Lishen.

 

2. Типы цилиндрических литий-ионных элементов

Цилиндрические литий-ионные элементы обычно обозначаются пятью цифрами. Считая слева направо, первые две цифры указывают диаметр батареи, третья и четвёртая цифры — высоту батареи, а пятая цифра указывает, что элемент круглый. Существует множество моделей цилиндрических литиевых батарей, наиболее распространёнными из которых являются 10400, 14500, 16340, 18650, 21700, 26650 и 32650.

① Батарея 10440:
Аккумулятор 10440 — это литиевый аккумулятор диаметром 10 мм и высотой 44 мм, что соответствует размерам так называемых «аккумуляторов размера 7». Этот тип аккумуляторов, как правило, имеет очень небольшую ёмкость, всего несколько сотен мАч, и в основном используется в мини-электронике, такой как фонарики, мини-колонки и мегафоны.

② Аккумулятор 14500:
Аккумулятор 14500 — это литиевый аккумулятор диаметром 14 мм и высотой 50 мм. Напряжение этого типа аккумуляторов обычно составляет 3,7 В или 3,2 В, а номинальная ёмкость — немного больше, чем у аккумулятора 10440, обычно 1600 мА·ч. Он обладает отличными разрядными характеристиками и в основном используется в бытовой электронике, например, в беспроводных колонках, электроигрушках и цифровых камерах.

③ Аккумулятор 16340.
Батарея 16340 — это литиевая батарея диаметром 16 мм и высотой 34 мм. Благодаря меньшей высоте и относительно большой ёмкости, этот тип батарей часто используется в мощных фонариках, светодиодных фонарях, налобных фонарях, лазерных источниках света и других осветительных приборах.

④ Батарея 18650:
Батарея 18650 — это литиевая батарея диаметром 18 мм и высотой 65 мм. Её главная особенность — очень высокая плотность энергии, почти 170 Вт·ч/кг. Поэтому этот тип батарей является экономически выгодным решением. Большинство батарей, которые мы видим в повседневной жизни, относятся именно к этому типу, поскольку это относительно зрелый вид литиевых батарей с хорошим качеством и стабильностью системы во всех аспектах. Широко применяется в устройствах с ёмкостью аккумулятора около 10 кВт·ч, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и другие малые электронные устройства.

⑤ Батарея 21700:
Аккумулятор 21700 — это литиевый аккумулятор диаметром 21 мм и высотой 70 мм. Благодаря увеличенному размеру повышается коэффициент использования пространства, а также может быть увеличена энергоёмкость отдельных элементов и системы в целом. Его объёмная энергоёмкость значительно выше, чем у аккумулятора 18650. Он широко используется в цифровых устройствах, электромобилях, самобалансирующих транспортных средствах, солнечных уличных фонарях на литиевых батареях, светодиодных лампах, электроинструментах и т.д.

⑥ Аккумулятор 26650:
Аккумулятор 26650 — это литиевый аккумулятор диаметром 26 мм и высотой 65 мм. Он имеет номинальное напряжение 3,2 В и номинальную ёмкость 3200 мА·ч. Этот тип аккумуляторов отличается превосходной ёмкостью и высокой согласованностью и постепенно становится заменой аккумуляторам 18650. Многие продукты в области силовых аккумуляторов также будут постепенно отдавать предпочтение этому типу.

⑦ Аккумулятор 32650
Аккумулятор 32650 — это литиевый аккумулятор диаметром 32 мм и высотой 65 мм. Этот тип аккумуляторов обладает высокой способностью к непрерывному разряду, поэтому он особенно подходит для электрических игрушек, резервного питания, источников бесперебойного питания, систем ветровой генерации и гибридных ветро-солнечных энергетических систем.

III. Развитие рынка цилиндрических литиевых аккумуляторов

Прогресс в технологии цилиндрических литий-ионных аккумуляторов в основном связан с новаторскими исследованиями и применением ключевых материалов аккумуляторов. Разработка новых материалов позволяет дополнительно улучшить характеристики аккумуляторов, повысить качество, снизить затраты и обеспечить безопасность. Чтобы удовлетворить требования конечных приложений к более высокой удельной энергоемкости аккумуляторов, используются материалы с высокой удельной емкостью, а также увеличивается напряжение зарядки за счет применения высоковольтных материалов.

Цилиндрические литий-ионные аккумуляторы эволюционировали от 14500 до аккумулятора Tesla 21700. В ближайшей и среднесрочной перспективе, оптимизируя существующие технологии литий-ионных тяговых аккумуляторов для удовлетворения потребностей масштабного развития электромобилей, основное внимание уделяется разработке новых литий-ионных тяговых аккумуляторов, улучшению их безопасности, стабильности и срока службы, а также одновременно ведется перспективная научно-исследовательская работа по созданию новых систем тяговых аккумуляторов.

В среднесрочной и долгосрочной перспективе при дальнейшей оптимизации и совершенствовании новых литий-ионных тяговых аккумуляторов основное внимание будет уделяться разработке новых систем тяговых аккумуляторов, что позволит значительно повысить удельную энергию, резко снизить затраты и обеспечить практическое применение и массовое внедрение новых систем тяговых аккумуляторов.