Kompletný sprievodca valcovými Li-ion batériami: typy, výkon a aplikácie

Valecovej tvaru lithium-iónové batérie sú rozdelené do rôznych systémov, ako je lithium-železo-fosfát, lithium-kobalt-oxid, lithium-mangán-oxid, kobalt-mangánová hybridná zmes a trojné materiály. Puzdro je rozdelené na oceľové a polymérne puzdro. Rôzne materiálové systémy majú rôzne výhody.

Kompletný zoznam modelov valcových lítiových batérií

Model článku	menovité napätie	Kapacita (mAh)	Teplota nabíjania (°C)	Teplota vybíjania (°C)	Nabíjací prúd (A)	Vybijací prúd (A)
ICR18650 (Ternárna)	3.7V	2200	0~45	-40~+60	2,2 A (izbová teplota 1C)	10 A (normálna teplota 5C)
ICR18650 (Ternárna)	3.7V	2500	0~45	-40~+60	2,5 A (izbová teplota 1 C)	25 A (izbová teplota 10 °C)
ICR18650 (Ternárna)	3.7V	3000	0~45	-40~+60	3,0 A (normálna teplota 1 C)	15 A (5 °C)
ICR21700 (Ternárna)	3.7V	4000	0~45	-40~+60	4,0 A (normálna teplota 1 C)	40 A (normálna teplota 10 C)
NCR18650B (Ternárna)	3,6 V	3350	0~45	-20~60	1,625 A	4,875 A
INR18650-30Q (Ternárna)	3,6 V	3000	0~45	-20~75	0.5c	15A
IFR26650 (Lítiová železnofosfátová)	3,2 V	3200	-20~+45	-40~+60	3,2 A (izbová teplota 1C)	10 A (izbová teplota 3C)
IFR32700 (Lítiová železnofosfátová)	3,2 V	5000	-20~+45	-40~+60	5,0 A (normálna teplota 1C)	25 A (5 °C)
IFR26650 E3400	3,2 V	3400	0~60	-10~60	2.0A	10,2 A

I. Čo je valcová lítiová batéria?

1. Definícia valcovej batérie

Valcové lítiové batérie sa delia na rôzne systémy, vrátane lítium-fosforečnanu, lítium-kobalt-oxidu, lítium-mangán-oxidu, kobalto-mangánových hybridov a trojzložkových materiálov. Puzdrá sú dostupné v oceľovom a polymérnom type, každé s vlastnými výhodami. V súčasnosti sú najbežnejšie valcové batérie s oceľovým puzdrom na báze lítium-fosforečnanu. Tieto batérie ponúkajú výhody ako vysoká kapacita, vysoké výstupné napätie, dobrý cyklický výkon nabíjania a vybíjania, stabilné výstupné napätie, schopnosť vybíjania pri vysokom prúde, stabilný elektrochemický výkon, bezpečnosť, široký pracovný rozsah teplôt a ekologickosť. Široko sa používajú v solárnom osvetlení, osvetlení trávníkov, záložných zdrojoch, elektrických náradiach a modelárskych hračkách.

2. Štruktúra valcovej batérie

Typická valcová štruktúra batérie obsahuje: puzdro, kryt, kladnú elektródu, zápornú elektródu, separátor, elektrolyt, PTC prvok, tesnenie, bezpečnostný ventil atď. Vo všeobecnosti je puzdro batérie zápornou elektródou a kryt je kladnou elektródou. Puzdro batérie je vyrobené z niklom pozinkovanej ocele.

3. Výhody valcových lítiových batérií

V porovnaní s vakovými a hranolovými lítiovými batériami majú valcové lítiové batérie najdlhšiu históriu vývoja, vyšší stupeň štandardizácie, zrelú technológiu, vyššiu výstupnú účinnosť a nižšie náklady.

Zrelý výrobný proces, nízke náklady na PACK, vysoká výstupná účinnosť výrobkov batérií a dobrý odvod tepla.

Valec tvarované batérie vytvorili sériu medzinárodne jednotných štandardných špecifikácií a modelov, s vyzretou technológiou vhodnou pre masovú nepretržitú výrobu. Valcový tvar má veľkú špecifickú plochu, čo vedie k dobrému odvodu tepla.

Valcové batérie sú zvyčajne uzatvorené batérie a počas používania nevyžadujú údržbu.

Puzdro batérie má vysokú odolnosť voči tlaku a počas prevádzky sa neobjavia javy, ako je napríklad opuchnutie, ktoré sa môže vyskytnúť u štvorcových alebo mäkkých balených batérií.

4. Katódový materiál valcovej batérie

V súčasnosti hlavné bežne dostupné katódové materiály valcových batérií zahŕňajú oxid kobaltu-lítia (LiCoO₂), oxid mangánu-lítia (LiMn₂O₄), trojzlúčeninový lítium (NMC) a fosfát železa-lítia (LiFePO₄). Rôzne materiálové systémy majú odlišné vlastnosti, ako je uvedené v nasledujúcej porovnávacej tabuľke:

projekt	Oxid kobaltu-lítia (LiCoO₂)	Trojzlúčeninový lítium (LiNiCoMnO₂)	Oxid mangánu-lítia (LiMn₂O₄)	Fosfát železa-lítia (LiFePO₄)
Objemová hustota (g/cm³)	2.8~3.0	2.0~2.3	2.2~2.4	1.0~1.4
Špecifický povrchový obsah (m²/g)	0.4~0.6	0.2~0.4	0.4~0.8	12~20
Kapacita (mAh/g)	135~140	140~180	90~100	130~140
Napäťová platforma (V)	3.7	3.5	3.8	3.2
Cyklický výkon	≥500-krát	≥500-krát	≥300 krát	≥2000 krát
Náklady na suroviny	Vysoké (obsah kobaltu)	Vysoké (obsahuje nikel a kobalt)	nízke	nízke
Ochrana životného prostredia	Obsahuje kobalt (nízka ekologickosť)	Obsahuje nikel a kobalt (ochrana životného prostredia v Číne)	Netoxický	Netoxický
Bežnostné vlastnosti	Chudobný	lepšie	dobrá	výborne
Oblasti použitia	Malé batérie	Malé batérie s napájaním	Výkonné batérie, nízko cenové batérie	Výkonné batérie/ultra veľké zdroje energie
výhoda	Malé a stredné batérie majú stabilný výkon	Stabilný elektrochemický výkon	Manganové suroviny sú hojné a lacné	Vysoká bezpečnosť a dlhá životnosť
nedostatok	Vysoká cena kobaltu a nízka cyklová životnosť	Kobalt a nikel sú drahé	Nízka energetická hustota	Slabý výkon pri nízkych teplotách

5. Anódový materiál pre valcové batérie

Anódové materiály pre valcové batérie možno zhruba rozdeliť na šesť typov: uhlíkové anódové materiály, zliatinové anódové materiály, cínové anódové materiály, anódové materiály na báze lithiových prechodných kovových nitridov, nanorozmerné materiály a nano anódové materiály.

Uhlíkové nanorozmerné anódové materiály: V súčasnosti sú anódové materiály skutočne používané v iónovo-lítiových batériách založené predovšetkým na uhlíkových materiáloch, ako je umelý grafit, prírodný grafit, mezofázové uhlíkové mikrosféry, ropný kokos, uhlíkové vlákna, pyrolýzny živicový uhlík atď.

Zliatinové anódové materiály zahŕňajú cínové zliatiny, kremíkové zliatiny, germániové zliatiny, hliníkové zliatiny, antimónové zliatiny, horčíkové zliatiny a ďalšie zliatiny. V súčasnosti nie sú k dispozícii komerčne dostupné produkty.

Anódové materiály na báze cínu: Anódové materiály na báze cínu možno rozdeliť na dva typy: oxidy cínu a kompozitné oxidy na báze cínu. Oxidy sa vzťahujú na oxidy kovového cínu v rôznych oxidačných stavoch. V súčasnosti nie sú k dispozícii žiadne komerčne dostupné produkty.

V súčasnosti nie sú k dispozícii žiadne komerčne dostupné anódové materiály z lítiových prechodných kovových nitridov.

Nanomateriály: uhlíkové nanorúrky, nanozlúčeniny.

Nano-anódové materiály: Nano-oxidové materiály

 

II. Valcové lithium-iontové články

1. Značky valcových lithium-iontových článkov

Valcové lithium-iontové batérie sú obľúbené medzi výrobcami litiových batérií v Japonsku a Južnej Kórei a aj v Číne je značný počet spoločností, ktoré tieto batérie vyrábajú. Prvú valcovú litiovú batériu vynájde v roku 1992 japonská spoločnosť Sony.

Medzi známe značky valcových lithium-iontových článkov patria: Sony, Panasonic, Sanyo, Samsung, LG, Wanxiang A123, BAK a Lishen.

 

2. Typy valcových lithium-iontových článkov

Valcové lithium-ionové články sú zvyčajne reprezentované piatimi číslicami. Počítané sprava, prvé dve číslice označujú priemer batérie, tretia a štvrtá číslica udáva výšku batérie a piata číslica označuje, že článok je kruhový. Existuje mnoho modelov valcových lítiových batérií, medzi bežné patria napríklad 10400, 14500, 16340, 18650, 21700, 26650 a 32650.

① Batéria 10440:
Batéria 10440 je lítiová batéria s priemerom 10 mm a výškou 44 mm, rovnaká veľkosť ako batéria, ktorú bežne nazývame „článok typu 7“. Tento typ batérie má zvyčajne veľmi malú kapacitu, len niekoľko stoviek mAh, a používa sa hlavne v mini elektronických zariadeniach, ako sú baterky, minispeakers alebo megafóny.

② Batéria 14500:
Batéria 14500 je batériou typu lithium s priemerom 14 mm a výškou 50 mm. Tento typ batérie má zvyčajne napätie 3,7 V alebo 3,2 V a relatívne malú menovitú kapacitu, mierne vyššiu ako batéria 10440, zvyčajne 1600 mAh. Má vynikajúci výkon pri vybíjaní a používa sa hlavne v spotrebnej elektronike, ako sú bezdrôtové reproduktory, elektrické hračky a digitálne fotoaparáty.

③ Batéria 16340.
Batéria 16340 je batériou typu lithium s priemerom 16 mm a výškou 34 mm. Vzhľadom na svoju kratšiu výšku a relatívne veľkú kapacitu sa tento typ batérie často používa v silných baterkách, LED baterkách, čelových svietidlach, laserových svetlách a iných osvetľovacích zariadeniach.

④ Batéria 18650:
Batéria 18650 je batériou typu lithium s priemerom 18 mm a výškou 65 mm. Jej najväčšou vlastnosťou je veľmi vysoká energetická hustota, ktorá dosahuje takmer 170 Wh/kg. Preto je tento typ batérie hospodárny. Väčšina batérií, ktoré vidíme v každodennom živote, je práve tohto typu, pretože ide o relatívne zrelý typ lithium batérie s dobrým systémovým kvalitným a stabilným správaním vo všetkých ohľadoch. Široko sa používa v aplikáciách batérií s kapacitou okolo 10 kWh, ako napríklad v mobilných telefónoch, notebookoch a iných malých elektronických zariadeniach.

⑤ Batéria 21700:
Batéria 21700 je lithium-iontová batéria s priemerom 21 mm a výškou 70 mm. Vďaka zväčšeným rozmerom je zlepšená účinnosť využitia priestoru a možné zvýšiť energetickú hustotu jednotlivých článkov aj celého systému. Jej objemová energetická hustota je oveľa vyššia ako u batérie 18650. Široko sa používa v digitálnych zariadeniach, elektrických vozidlách, self-balancujúcich vozidlách, solárnych uličných lampách s lithiovou batériou, LED svetlách, elektrickom náradí atď.

⑥ Batéria 26650:
Batéria 26650 je lithium-iontová batéria s priemerom 26 mm a výškou 65 mm. Má menovité napätie 3,2 V a menovitú kapacitu 3200 mAh. Tento typ batérie má vynikajúcu kapacitu a vysokú konzistenciu a postupne sa stáva náhradou batérií 18650. Mnohé výrobky v oblasti batérií na pohon budú tento typ tiež čoraz viac preferovať.

⑦ Batéria 32650
Batéria 32650 je batéria typu lithium s priemerom 32 mm a výškou 65 mm. Tento typ batérie má silnú schopnosť nepretržitého vybíjania, preto je vhodnejší pre elektrické hračky, záložné napájanie, UPS batérie, systémy veterných elektrárň a hybridné veterno-slnečné systémy výroby elektrickej energie.

III. Vývoj trhu valcových lítiových batérií

Pokroky v technológii valcových lítovo-iónových batérií pochádzajú predovšetkým z inovatívneho výskumu a aplikácie kľúčových materiálov batérií. Vývoj nových materiálov ďalej zlepšuje výkon batérií, zvyšuje kvalitu, znížuje náklady a zlepšuje bezpečnosť. Aby boli splnené požiadavky na vyššiu špecifickú energiu batérií zo strany odberateľov, dosahuje sa to použitím materiálov s vysokou špecifickou kapacitou a zvyšovaním nabíjacieho napätia prostredníctvom vysokonapäťových materiálov.

Valcové batérie s lítiovým iónom sa vyvinuli od typu 14500 po batériu Tesly 21700. V blízkej a strednodobej perspektíve, pri optimalizácii existujúcich technológií výkonných lítiových batérií na spĺňanie potrieb rozsiahleho rozvoja vozidiel na nové energie, je zameraná pozornosť na vývoj nových výkonných lítiových batérií, zlepšovanie ich bezpečnosti, konzistencie a životnosti a zároveň sa vykonáva perspektívny výskum a vývoj nových systémov výkonných batérií.

Pre strednodobý a dlhodobý vývoj valcových lítiových batérií, pri spojitom optimalizovaní a zlepšovaní nových výkonných lítiových batérií, sa bude zameriavame na vývoj nových systémov výkonných batérií, ktoré výrazne zvýšia špecifickú energiu, podstatne znížia náklady a umožnia praktické a rozsiahle využitie nových systémov výkonných batérií.