Повний посібник з циліндричних літій-іонних акумуляторів: типи, ефективність та сфери застосування

Циліндричні літієві акумулятори поділяються на різні системи, такі як літій-залізо-фосфат, літій-кобальт-оксид, літій-марганець-оксид, гібрид кобальту та марганцю та трійні матеріали. Корпус поділяється на стальний та полімерний. Різні матеріальні системи мають різні переваги.

Повний перелік моделей циліндричних літійних акумуляторів

Модель елемента	номінальна напруга	Ємність (мА·год)	Температура заряджання (°C)	Температура розряджання (°C)	Струм заряджання (A)	Струм розряджання (A)
ICR18650 (Трійний)	3.7V	2200	0~45	-40~+60	2,2 А (при кімнатній температурі 1C)	10 А (при норм. температурі 5C)
ICR18650 (Трійний)	3.7V	2500	0~45	-40~+60	2,5 А (кімнатна температура 1°С)	25 А (кімнатна температура 10°С)
ICR18650 (Трійний)	3.7V	3000	0~45	-40~+60	3,0 А (нормальна температура 1°С)	15 А (5°С)
ICR21700 (Трійний)	3.7V	4000	0~45	-40~+60	4,0 А (нормальна температура 1°С)	40 А (нормальна температура 10°С)
NCR18650B (Трійний)	3,6 В	3350	0~45	-20~60	1,625 А	4,875 А
INR18650-30Q (Трійний)	3,6 В	3000	0~45	-20~75	0.5c	15А
IFR26650 (Літій-залізо-фосфат)	3.2V	3200	-20~+45	-40~+60	3,2 А (кімнатна температура 1C)	10 А (кімнатна температура 3C)
IFR32700 (Літій-залізо-фосфат)	3.2V	5000	-20~+45	-40~+60	5,0 А (нормальна температура 1C)	25 А (5°C)
IFR26650 E3400	3.2V	3400	0~60	-10~60	2.0A	10.2A

I. Що таке циліндрична літієва батарея?

1. Визначення циліндричної батареї

Циліндричні літієві акумулятори поділяються на різні системи, включаючи літій-залізо-фосфат, літій-кобальт-оксид, літій-марганець-оксид, гібрид кобальту та марганцю та третинні матеріали. Корпуси доступні у сталевому та полімерному варіантах, кожен з яких має свої переваги. На даний момент найпоширенішими є циліндричні літій-залізо-фосфатні акумулятори зі сталевим корпусом. Ці акумулятори мають такі переваги, як висока ємність, висока вихідна напруга, добре циклічне зарядно-розрядне виконання, стабільна вихідна напруга, можливість розряду великим струмом, стабільна електрохімічна поведінка, безпека, широкий діапазон робочих температур і екологічність. Їх широко використовують у сонячному освітленні, газонному освітленні, резервних джерелах живлення, електроінструментах та іграшкових моделях.

2. Будова циліндричного акумулятора

Типова циліндрична конструкція акумулятора включає: корпус, кришку, позитивний електрод, негативний електрод, сепаратор, електроліт, елемент PTC, ущільнення, запобіжний клапан тощо. Як правило, корпус акумулятора є негативним електродом, а кришка — позитивним. Корпус акумулятора виготовлений із нікельованої сталі.

3. Переваги циліндричних літієвих акумуляторів

Порівняно з літієвими акумуляторами у м’яких та призматичних корпусах, циліндричні літієві акумулятори мають найдовшу історію розвитку, вищий ступінь стандартизації, більш відпрацьовану технологію, вищий відсоток виходу придатної продукції та нижчу вартість.

Відпрацьований виробничий процес, низька вартість упаковування (PACK), високий відсоток виходу продукції та добре тепловідведення.

Для циліндричних акумуляторів встановлено серію міжнародно уніфікованих стандартів, специфікацій і моделей, технологія їх виробництва є відпрацьованою, що робить її придатною для масового безперервного виробництва. Циліндрична форма має велику питому площу поверхні, що забезпечує добре тепловідведення.

Циліндричні акумулятори, як правило, є герметичними, і під час використання не виникає питань щодо обслуговування.

Корпус акумулятора має високу стійкість до тиску і не проявляє явищ, таких як пухиріння, як у квадратних чи м'яких пакетних акумуляторів під час експлуатації.

4. Катодний матеріал циліндричного акумулятора

На даний момент основні комерційні катодні матеріали циліндричних акумуляторів включають оксид кобальту літію (LiCoO₂), оксид марганцю літію (LiMn₂O₄), тривий літій (NMC) та фосфат заліза літію (LiFePO₄). Різні матеріальні системи мають різні характеристики, як порівняно нижче:

проект	Оксид кобальту літію (LiCoO₂)	Тривий літій (LiNiCoMnO₂)	Оксид марганцю літію (LiMn₂O₄)	Фосфат заліза літію (LiFePO₄)
Власна густина (г/см³)	2.8~3.0	2.0~2.3	2.2~2.4	1.0~1.4
Питома поверхнева площа (м²/г)	0.4~0.6	0.2~0.4	0.4~0.8	12~20
Ємність (мА·год/г)	135~140	140~180	90~100	130~140
Плато напруги (V)	3.7	3.5	3.8	3.2
Циклічна продуктивність	≥500 разів	≥500 разів	≥300 разів	≥2000 разів
Вартість сировини	Високий (вміст кобальту)	Високий (містить нікель і кобальт)	низький	низький
Захист навколишнього середовища	Містить кобальт (низька екологічність)	Містить нікель і кобальт (екологія Китаю)	Нетоксичний	Нетоксичний
Безпека	Погано	краще	добре	чудово
Сфери застосування	Дрібні батареї	Мала силова батарея	Силові батареї, батареї низької вартості	Силові батареї/ультра великі джерела живлення
перевага	Малі та середні акумулятори мають стабільну роботу	Стабільна електрохімічна продуктивність	Ресурси марганцю є достатніми та низькими за вартістю	Високий рівень безпеки та довгий термін служби
недолік	Висока ціна кобальту та низький цикл життя	Кобальт і нікель є дорогими	Низька енергетична щільність	Погана робота при низьких температурах

5. Анодний матеріал для циліндричних акумуляторів

Анодні матеріали для циліндричних акумуляторів можна умовно поділити на шість типів: вуглецеві анодні матеріали, сплави анодних матеріалів, олов'яні анодні матеріали, літійвмісні анодні матеріали на основі перехідних металів, наномасштабні матеріали та наноанодні матеріали.

Вуглецеві нанорозмірні анодні матеріали: на даний момент анодні матеріали, які фактично використовуються в літій-іонних акумуляторах, — це в основному вуглецеві матеріали, такі як штучний графіт, природний графіт, мезофазні вуглецеві мікросфери, петролейний кокс, вуглецеве волокно, піролітичний смолистий вуглець тощо.

Анодні матеріали на основі сплавів: олов'яні сплави, кремнієві сплави, германієві сплави, алюмінієві сплави, сурм'яні сплави, магнієві сплави та інші сплави. На даний момент комерційно доступних продуктів немає.

Олов'яні анодні матеріали: олов'яні анодні матеріали можна поділити на два типи: оксиди олова та композитні олов'яні оксиди. Оксиди — це оксиди металевого олова в різних ступенях валентності. На даний момент комерційно доступних продуктів немає.

На даний момент немає комерційно доступних літій-перехідних металевих нітридних анодних матеріалів.

Наноматеріали: вуглецеві нанотрубки, наносплави.

Наноанодні матеріали: нанооксидні матеріали

 

II. Циліндричні літієві акумуляторні елементи

1. Бренди циліндричних літій-іонних елементів

Циліндричні літієві батареї популярні серед компаній з виробництва літієвих акумуляторів у Японії та Південній Кореї, існує також чимало компаній у Китаї, які виробляють циліндричні літієві батареї. Найперша циліндрична літієва батарея була винайдена японською корпорацією Sony у 1992 році.

Відомі бренди циліндричних літій-іонних елементів: Sony, Panasonic, Sanyo, Samsung, LG, Wanxiang A123, BAK та Lishen.

 

2. Типи циліндричних літій-іонних елементів

Циліндричні літій-іонні елементи зазвичай позначаються п’ятьма цифрами. Починаючи зліва, перші дві цифри позначають діаметр батареї, третя та четверта — висоту батареї, а п’ята цифра вказує на те, що елемент є круглим. Існує багато моделей циліндричних літієвих батарей, поширеними є 10400, 14500, 16340, 18650, 21700, 26650 та 32650.

① Акумулятор 10440:
Акумулятор 10440 — це літійовий акумулятор діаметром 10 мм і висотою 44 мм, того самого розміру, що й так званий «батарейка типу 7». Зазвичай такий акумулятор має дуже малу ємність — лише кілька сотень мА·год, і використовується переважно в мініатюрних електронних пристроях, таких як ліхтарики, міні-колонки та мегафони.

② Акумулятор 14500:
Акумулятор 14500 — це літійовий акумулятор діаметром 14 мм і висотою 50 мм. Напруга такого акумулятора зазвичай становить 3,7 В або 3,2 В, номінальна ємність відносно невелика, трохи більша, ніж у акумулятора 10440, зазвичай — 1600 мА·год. Має відмінні характеристики розряду і використовується переважно в побутовій електроніці, наприклад, у бездротових колонках, електронних іграшках та цифрових фотоапаратах.

③ Акумулятор 16340.
Батарея 16340 — це літієва батарея діаметром 16 мм і висотою 34 мм. Через меншу висоту та відносно велику ємність, цей тип батарей часто використовується в потужних ліхтарях, світлодіодах, налобних ліхтарях, лазерних лампах та інших освітлювальних приладах.

④ Батарея 18650:
Батарея 18650 — це літієва батарея діаметром 18 мм і висотою 65 мм. Її найважливішою особливістю є дуже висока густина енергії, яка становить майже 170 Вт·год/кг. Тому цей тип батарей є економічно вигідним. Більшість батарей, які ми бачимо у повсякденному житті, саме цього типу, оскільки це відносно зрілий вид літієвих батарей із хорошою якістю та стабільністю системи в усіх аспектах. Вона широко використовується в застосунках із ємністю батареї близько 10 кВт·год, наприклад, у мобільних телефонах, ноутбуках та інших невеликих електронних пристроях.

⑤ Батарея 21700:
Акумулятор 21700 — це літій-іонний акумулятор діаметром 21 мм і висотою 70 мм. Завдяки збільшеним розмірам покращується коефіцієнт використання простору, а також підвищується енергетична щільність окремих елементів та системи в цілому. Його об'ємна енергетична щільність значно вища, ніж у акумулятора 18650. Він широко використовується в цифрових пристроях, електромобілях, сегвеях, сонячних ліхтарях на літій-іонних акумуляторах, світлодіодах, електроінструментах тощо.

⑥ Акумулятор 26650:
Акумулятор 26650 — це літій-іонний акумулятор діаметром 26 мм і висотою 65 мм. Він має номінальну напругу 3,2 В і номінальну ємність 3200 мА·год. Цей тип акумуляторів відрізняється відмінною ємністю та високою узгодженістю й поступово стає заміною акумуляторів 18650. Багато продуктів у галузі потужних акумуляторів також поступово віддають перевагу саме цьому типу.

⑦ Акумулятор 32650
Акумулятор 32650 — це літієва батарея діаметром 32 мм і висотою 65 мм. Цей тип акумулятора має високу здатність до безперервного розряду, тому краще підходить для електричних іграшок, резервного живлення, акумуляторів UPS, систем виробництва електроенергії від вітру та гібридних вітро-сонячних систем генерації енергії.

III. Розвиток ринку циліндричних літій-іонних акумуляторів

Прогрес у технології циліндричних літій-іонних акумуляторів переважно пов'язаний із інноваційними дослідженнями та застосуванням ключових матеріалів для акумуляторів. Розробка нових матеріалів далі покращує продуктивність акумуляторів, підвищує якість, знижує вартість та поліпшує безпеку. Щоб відповідати вимогам нижчих ланок застосувань щодо більш високої питомої енергії акумуляторів, цього досягають шляхом використання матеріалів із високою питомою ємністю та підвищенням напруги зарядки за рахунок застосування матеріалів з високою напругою.

Циліндричні літій-іонні акумулятори розвинулися від 14500 до акумулятора Tesla 21700. У найближчій та середньостроковій перспективі, одночасно з оптимізацією існуючих технологій потужних літій-іонних акумуляторів для задоволення потреб масштабного розвитку транспортних засобів на нових джерелах енергії, основна увага приділяється розробці нових потужних літій-іонних акумуляторів, покращенню їх безпеки, узгодженості та терміну служби, а також паралельному проведення передових досліджень і розробок нових систем потужних акумуляторів.

У середньо- та довгостроковій перспективі щодо розвитку циліндричних літій-іонних акумуляторів, постійно оптимізуючи та вдосконалюючи нові потужні літій-іонні акумулятори, ми зосередимося на розробці нових систем потужних акумуляторів, щоб значно підвищити питому енергію, суттєво знизити вартість та забезпечити практичне й масове застосування нових систем потужних акумуляторів.