คู่มือการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบทรงกระบอกอย่างสมบูรณ์: ประเภท ประสิทธิภาพ และการประยุกต์ใช้งาน

แบตเตอรี่ลิเธียมแบบทรงกระบอกถูกแบ่งออกเป็นระบบต่างๆ เช่น ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ ไฮบริดโคบอลต์-แมงกานีส และวัสดุไตรสาระ ขณะที่เปลือกหุ้มแบ่งได้เป็นแบบเหล็กและแบบพอลิเมอร์ วัสดุแต่ละระบบมีข้อดีที่แตกต่างกันออกไป

รายการแบบจำลองแบตเตอรี่ลิเธียมทรงกระบอกทั้งหมด

รูปแบบเซลล์	ความแรงกดดันชื่อ	ความจุ (mAh)	อุณหภูมิในการชาร์จ (°C)	อุณหภูมิในการคายประจุ (°C)	กระแสไฟชาร์จ (A)	กระแสการปล่อย (a)
ICR18650 (เทอร์นารี)	3.7V	2200	0~45	-40~+60	2.2A (อุณหภูมิห้อง 1C)	10A (อุณหภูมิปกติ 5C)
ICR18650 (เทอร์นารี)	3.7V	2500	0~45	-40~+60	2.5A (อุณหภูมิห้อง 1C)	25A (อุณหภูมิห้อง 10°C)
ICR18650 (เทอร์นารี)	3.7V	3000	0~45	-40~+60	3.0A (อุณหภูมิปกติ 1C)	15A (5°C)
ICR21700 (ไตรนารี)	3.7V	4000	0~45	-40~+60	4.0A (อุณหภูมิปกติ 1C)	40A (อุณหภูมิปกติ 10C)
NCR18650B (ไตรนารี)	3.6โวลต์	3350	0~45	-20~60	1.625A	4.875A
INR18650-30Q (ไตรนารี)	3.6โวลต์	3000	0~45	-20~75	0.5C	15a
IFR26650 (ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต)	3.2V	3200	-20~+45	-40~+60	3.2A (อุณหภูมิห้อง 1C)	10A (อุณหภูมิห้อง 3C)
IFR32700 (ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต)	3.2V	5000	-20~+45	-40~+60	5.0A (อุณหภูมิปกติ 1C)	25A (5°C)
IFR26650 E3400	3.2V	3400	0~60	-10~60	2.0A	10.2A

I. แบตเตอรี่ลิเธียมทรงกระบอกคืออะไร?

1. ความหมายของแบตเตอรี่ทรงกระบอก

แบตเตอรี่ลิเธียมแบบทรงกระบอกถูกจัดอยู่ในระบบต่างๆ ได้แก่ ลิเธียมไอรอนฟอสเฟต ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ ไฮบริดโคบอลต์-แมงกานีส และวัสดุไตรนารี โดยตัวเรือนมีให้เลือกทั้งแบบเหล็กและแบบพอลิเมอร์ ซึ่งแต่ละประเภทมีข้อดีของตนเอง ปัจจุบันแบตเตอรี่ลิเธียมไอรอนฟอสเฟตแบบทรงกระบอกที่ใช้ตัวเรือนเหล็กเป็นที่นิยมมากที่สุด แบตเตอรี่เหล่านี้มีข้อดี เช่น ความจุสูง แรงดันไฟฟ้าขาออกสูง สมรรถนะการชาร์จ-ปล่อยไฟฟ้าที่ดี แรงดันไฟฟ้าขาออกคงที่ สามารถปล่อยกระแสไฟฟ้าสูงได้ สมรรถนะทางอิเล็กโทรเคมีที่เสถียร ปลอดภัย ช่วงอุณหภูมิการทำงานกว้าง และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม จึงถูกใช้อย่างแพร่หลายในระบบแสงสว่างพลังงานแสงอาทิตย์ โคมไฟสนามหญ้า แหล่งจ่ายไฟสำรอง เครื่องมือไฟฟ้า และโมเดลของเล่น

2. โครงสร้างแบตเตอรี่แบบทรงกระบอก

โครงสร้างของแบตเตอรี่แบบกระบอกทั่วไปประกอบด้วย: ตัวเรือน, ฝาปิด, ขั้วบวก, ขั้วลบ, แผ่นแยก, อิเล็กโทรไลต์, องค์ประกอบ PTC, ซีลยาง, วาล์วนิรภัย เป็นต้น โดยทั่วไปตัวเรือนแบตเตอรี่จะเป็นขั้วลบ และฝาปิดจะเป็นขั้วบวก ตัวเรือนแบตเตอรี่ทำจากเหล็กชุบนิกเกิล

3. ข้อดีของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบกระบอก

เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบถุงและแบบปริซึม แบตเตอรี่ลิเธียมแบบกระบอกมีประวัติการพัฒนายาวนานที่สุด มีมาตรฐานสูง เทคโนโลยีที่สุกงอม อัตราผลผลิตสูง และต้นทุนต่ำกว่า

กระบวนการผลิตที่สุกงอม ต้นทุน PACK ต่ำ อัตราผลผลิตของผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่สูง และประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดี

แบตเตอรี่แบบกระบอกได้มีการจัดตั้งข้อกำหนดและรุ่นมาตรฐานสากลที่เป็นหนึ่งเดียวแล้ว เทคโนโลยีมีความสุกงอม เหมาะสำหรับการผลิตต่อเนื่องจำนวนมาก รูปร่างแบบกระบอกมีพื้นที่ผิวเฉพาะสูง ส่งผลให้การระบายความร้อนดี

แบตเตอรี่ทรงกระบอกโดยทั่วไปเป็นแบตเตอรี่แบบปิดผนึก ไม่มีปัญหาการบำรุงรักษาในระหว่างการใช้งาน

ตัวเรือนแบตเตอรี่มีความต้านทานแรงดันสูง และจะไม่เกิดปรากฏการณ์ เช่น การพองตัว เหมือนกับแบตเตอรี่แบบสี่เหลี่ยมหรือแบบซอร์ฟแพ็คในระหว่างการใช้งาน

4. วัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ทรงกระบอก

ปัจจุบัน วัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ทรงกระบอกเชิงพาณิชย์ที่นิยมใช้กันอยู่ ได้แก่ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO₂), ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LiMn₂O₄), ลิเธียมไตรสาร (NMC) และลิเธียมไอรอนฟอสเฟต (LiFePO₄) ระบบที่ใช้วัสดุต่างกันมีคุณสมบัติแตกต่างกัน ดังแสดงในตารางเปรียบเทียบด้านล่าง:

โครงการ	ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO₂)	ลิเธียมไตรสาร (LiNiCoMnO₂)	ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LiMn₂O₄)	Lithium Iron Phosphate (LiFePO₄)
ความหนาแน่นจากการสั่นสะเทือน (g/cm³)	2.8~3.0	2.0~2.3	2.2~2.4	1.0~1.4
พื้นที่ผิวเฉพาะ (m²/g)	0.4~0.6	0.2~0.4	0.4~0.8	12~20
ความจุ (mAh/g)	135~140	140~180	90~100	130~140
แรงดันคงที่ (V)	3.7	3.5	3.8	3.2
ประสิทธิภาพการใช้งานแบบไซคลิก	≥500 ครั้ง	≥500 ครั้ง	≥300 ครั้ง	≥ 2000 ครั้ง
ต้นทุนวัสดุดิบ	สูง (มีปริมาณโคบอลต์)	สูง (มีนิกเกิลและโคบอลต์)	ต่ํา	ต่ํา
การคุ้มครองสิ่งแวดล้อม	มีโคบอลต์ (เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมต่ำ)	มีนิกเกิลและโคบอลต์ (ตามมาตรฐานสิ่งแวดล้อมจีน)	ไม่เป็นพิษ	ไม่เป็นพิษ
ผลประกอบการด้านความปลอดภัย	คนจน	ดีกว่า	ดี	ยอดเยี่ยม
พื้นที่การใช้งาน	แบตเตอรี่ขนาดเล็ก	แบตเตอรี่พลังงานขนาดเล็ก	แบตเตอรี่พลังงาน/แบตเตอรี่ต้นทุนต่ำ	แบตเตอรี่พลังงาน/แหล่งจ่ายไฟความจุสูงพิเศษ
ข้อได้เปรียบ	แบตเตอรี่ขนาดเล็กและขนาดกลางมีประสิทธิภาพการใช้งานที่เสถียร	ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเคมีที่เสถียร	ทรัพยากรแมงกานีสมีอยู่มากและมีต้นทุนต่ำ	ความปลอดภัยสูงและอายุการใช้งานยาวนาน
ความขาดทุน	ราคาโคบอลต์สูงและอายุรอบการชาร์จต่ำ	โคบอลต์และนิกเกิลมีราคาแพง	ความหนาแน่นพลังงานต่ำ	ประสิทธิภาพต่ำที่อุณหภูมิต่ำ

5. วัสดุขั้วบวกสำหรับแบตเตอรี่ทรงกระบอก

วัสดุขั้วบวกสำหรับแบตเตอรี่ทรงกระบอกสามารถแบ่งออกได้เป็นหกประเภทคร่าวๆ ได้แก่ วัสดุขั้วบวกชนิดคาร์บอน วัสดุขั้วบวกแบบโลหะผสม วัสดุขั้วบวกฐานดีบุก วัสดุขั้วบวกไนไตรด์โลหะเปลี่ยนผ่านที่มีลิเธียม วัสดุขนาดนาโน และวัสดุขั้วบวกนาโน

วัสดุขั้วบวกคาร์บอนขนาดนาโน: ปัจจุบันวัสดุขั้วบวกที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่เป็นวัสดุประเภทคาร์บอน เช่น กราไฟต์สังเคราะห์ กราไฟต์ธรรมชาติ ไมโครสเฟียร์คาร์บอนเมโซเฟส โค้กปิโตรเลียม เส้นใยคาร์บอน คาร์บอนจากเรซินไพโรไลซิส เป็นต้น

วัสดุขั้วบวกที่เป็นโลหะผสม ได้แก่ โลหะผสมที่มีดีบุกเป็นองค์ประกอบ โลหะผสมที่มีซิลิคอนเป็นองค์ประกอบ โลหะผสมที่มีเจอร์เมเนียมเป็นองค์ประกอบ โลหะผสมที่มีอลูมิเนียมเป็นองค์ประกอบ โลหะผสมที่มีแอนติโมนีเป็นองค์ประกอบ โลหะผสมที่มีแมกนีเซียมเป็นองค์ประกอบ และโลหะผสมอื่นๆ ปัจจุบันยังไม่มีผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ที่วางจำหน่าย

วัสดุขั้วบวกที่มีดีบุกเป็นองค์ประกอบ: วัสดุขั้วบวกที่มีดีบุกเป็นองค์ประกอบสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ ออกไซด์ของดีบุก และออกไซด์เชิงประกอบที่มีดีบุกเป็นองค์ประกอบ ออกไซด์ หมายถึง ออกไซด์ของดีบุกในสถานะวาเลนซ์ต่างๆ ปัจจุบันยังไม่มีผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ที่วางจำหน่าย

ปัจจุบันยังไม่มีวัสดุขั้วบวกจากไนไตรด์ของลิเธียมที่มีโลหะทรานซิชันเป็นองค์ประกอบซึ่งวางจำหน่ายเชิงพาณิชย์

วัสดุระดับนาโน: นาโนท่อคาร์บอน วัสดุโลหะผสมระดับนาโน

วัสดุขั้วบวกระดับนาโน: วัสดุออกไซด์ระดับนาโน

 

II. เซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมแบบทรงกระบอก

1. แบรนด์เซลล์ลิเธียมไอออนแบบทรงกระบอก

แบตเตอรี่ลิเธียมแบบทรงกระบอกเป็นที่นิยมในหมู่บริษัทผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมในประเทศญี่ปุ่นและเกาหลีใต้ และยังมีบริษัทจำนวนมากในจีนที่ผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมแบบทรงกระบอกด้วย แบตเตอรี่ลิเธียมแบบทรงกระบอกรุ่นแรกสุดถูกคิดค้นโดยบริษัทโซนี่ของญี่ปุ่นในปี 1992

แบรนด์เซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบทรงกระบอกที่เป็นที่รู้จักได้แก่: Sony, Panasonic, Sanyo, Samsung, LG, Wanxiang A123, BAK และ Lishen

 

2. ประเภทของเซลล์ลิเธียมไอออนแบบทรงกระบอก

เซลล์ลิเธียมไอออนแบบทรงกระบอกมักจะแสดงด้วยตัวเลขห้าหลัก โดยนับจากทางซ้าย สองหลักแรกแสดงเส้นผ่านศูนย์กลางของแบตเตอรี่ หลักที่สามและสี่แสดงความสูงของแบตเตอรี่ และหลักที่ห้าแสดงว่าเซลล์นี้เป็นแบบวงกลม มีหลายรุ่นของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบทรงกระบอก โดยทั่วไปมีรุ่นเช่น 10400, 14500, 16340, 18650, 21700, 26650 และ 32650

① แบตเตอรี่ 10440:
แบตเตอรี่ 10440 เป็นแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม. และสูง 44 มม. ซึ่งมีขนาดเท่ากับที่เรามักเรียกว่า "ถ่านขนาด 7" โดยทั่วไปแบตเตอรี่ชนิดนี้มีความจุค่อนข้างน้อย เพียงไม่กี่ร้อย mAh และใช้หลักในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก เช่น ไฟฉาย ลำโพงขนาดเล็ก และเครื่องขยายเสียง

② แบตเตอรี่ 14500:
แบตเตอรี่ 14500 เป็นแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 14 มม. และสูง 50 มม. โดยทั่วไปแบตเตอรี่ชนิดนี้มีแรงดัน 3.7V หรือ 3.2V ความจุตามชื่อเรียกค่อนข้างเล็ก แต่มากกว่าแบตเตอรี่ 10440 เล็กน้อย โดยทั่วไปอยู่ที่ 1600mAh มีสมรรถนะการคายประจุที่ยอดเยี่ยม และใช้หลักในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เช่น ลำโพงไร้สาย ของเล่นไฟฟ้า และกล้องดิจิทัล

③ แบตเตอรี่ 16340
แบตเตอรี่ 16340 เป็นแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 16 มม. และสูง 34 มม. เนื่องจากมีความสูงน้อยกว่าและมีความจุค่อนข้างสูง แบตเตอรี่ประเภทนี้จึงมักพบในไฟฉายกำลังสูง ไฟฉาย LED โคมไฟคาดศีรษะ ไฟเลเซอร์ และอุปกรณ์ให้แสงสว่างอื่นๆ

④ แบตเตอรี่ 18650:
แบตเตอรี่ 18650 เป็นแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 มม. และสูง 65 มม. คุณสมบัติเด่นที่สุดคือมีความหนาแน่นพลังงานสูงมาก ซึ่งเกือบถึง 170 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม ดังนั้นแบตเตอรี่ประเภทนี้จึงมีต้นทุนที่คุ้มค่า แบตเตอรี่ส่วนใหญ่ที่เราเห็นในชีวิตประจำวันเป็นแบตเตอรี่ประเภทนี้ เพราะเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีเทคโนโลยีค่อนข้างก้าวหน้า มีคุณภาพและเสถียรภาพของระบบที่ดีในทุกด้าน นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันที่ต้องการความจุแบตเตอรี่ประมาณ 10 กิโลวัตต์-ชั่วโมง เช่น โทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กอื่นๆ

⑤ แบตเตอรี่ 21700:
แบตเตอรี่ 21700 เป็นแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 21 มม. และความสูง 70 มม. เนื่องจากขนาดที่เพิ่มขึ้น ทำให้อัตราการใช้พื้นที่ดีขึ้น และสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานในเซลล์เดี่ยวและระบบได้ ความหนาแน่นของพลังงานตามปริมาตรสูงกว่าแบตเตอรี่ 18650 อย่างมาก จึงถูกใช้อย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์ดิจิทัล รถยนต์ไฟฟ้า รถทรงตัวไฟฟ้า โคมไฟถนนลิเธียมพลังงานแสงอาทิตย์ ไฟ LED และเครื่องมือช่างไฟฟ้า เป็นต้น

⑥ แบตเตอรี่ 26650:
แบตเตอรี่ 26650 เป็นแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 26 มม. และความสูง 65 มม. มีแรงดันไฟฟ้ามาตรฐาน 3.2V และความจุมาตรฐาน 3200mAh แบตเตอรี่ชนิดนี้มีความจุสูงและความสม่ำเสมอที่ดีเยี่ยม จึงค่อยๆ ก้าวขึ้นมาเป็นทางเลือกแทนแบตเตอรี่ 18650 มากขึ้น ผลิตภัณฑ์จำนวนมากในด้านแบตเตอรี่สำหรับพลังงานก็เริ่มให้ความสำคัญกับแบตเตอรี่ประเภทนี้มากขึ้นเช่นกัน

⑦ แบตเตอรี่ 32650
แบตเตอรี่ 32650 เป็นแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 32 มม. และสูง 65 มม. แบตเตอรี่ประเภทนี้มีความสามารถในการคายประจุต่อเนื่องได้ดี จึงเหมาะสำหรับใช้ในของเล่นไฟฟ้า พลังงานสำรอง แบตเตอรี่ระบบ UPS ระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลม และระบบผลิตไฟฟ้าแบบผสมผสานระหว่างพลังงานลมและแสงอาทิตย์

III. การพัฒนาตลาดแบตเตอรี่ลิเธียมทรงกระบอก

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทรงกระบอก มาจากการวิจัยและประยุกต์ใช้วัสดุสำคัญของแบตเตอรี่อย่างสร้างสรรค์ การพัฒนาวัสดุใหม่ๆ ช่วยปรับปรุงสมรรถนะของแบตเตอรี่ เพิ่มคุณภาพ ลดต้นทุน และเพิ่มความปลอดภัยมากขึ้น เพื่อตอบสนองความต้องการของแอปพลิเคชันระดับล่างที่ต้องการพลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่สูงขึ้น ซึ่งทำได้โดยการใช้วัสดุที่มีความจุจำเพาะสูง และการเพิ่มแรงดันขณะชาร์จโดยการนำวัสดุที่ทนต่อแรงดันสูงมาใช้

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบทรงกระบอกได้พัฒนาจากรุ่น 14500 ไปเป็นแบตเตอรี่เทสลา 21700 ในระยะใกล้และระยะกลาง แม้จะมีการปรับปรุงเทคโนโลยีแบตเตอรี่พลังงานลิเธียมไอออนที่มีอยู่แล้วเพื่อตอบสนองความต้องการของการพัฒนายานยนต์พลังงานใหม่ในวงกว้าง แต่ก็ให้ความสำคัญกับการพัฒนาแบตเตอรี่พลังงานลิเธียมไอออนรูปแบบใหม่ การปรับปรุงด้านความปลอดภัย ความสม่ำเสมอ และอายุการใช้งาน พร้อมทั้งดำเนินการวิจัยและพัฒนาล่วงหน้าเกี่ยวกับระบบแบตเตอรี่พลังงานใหม่

สำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบทรงกระบอกในระยะกลางและระยะยาว แม้จะมีการปรับปรุงและพัฒนาแบตเตอรี่พลังงานลิเธียมไอออนรูปแบบใหม่อย่างต่อเนื่อง แต่จะเน้นไปที่การพัฒนาระบบแบตเตอรี่พลังงานใหม่ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานจำเพาะอย่างมีนัยสำคัญ ลดต้นทุนลงอย่างมาก และทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานจริงและใช้งานในวงกว้างได้