Какие бывают литиевые аккумуляторы и какие размеры: Размеры литиевых аккумуляторов

Основополагающим элементом батарей, питающих все, от бытовой электроники до электромобилей, является литий-ионный элемент.

Литий-ионные элементы, как правило, не являются отдельными частями. Они соединены последовательно и параллельно, образуя окончательную сборку, называемую аккумуляторной батареей. Но для каждого аккумуляторного блока выбранная ячейка определяет срок службы и производительность всей батареи. Эксплуатационные характеристики элемента определяют размер, вес, напряжение, ток, мощность и экологические характеристики конечного аккумуляторного блока.

Литий-ионные элементы бывают трех основных форм-факторов: цилиндрические, призматические (или кирпичные) и плоские прямоугольные литий-полимерные элементы. Стандартные форматы цилиндрических ячеек в металлическом корпусе: 18650 (диаметр 18 мм × высота 65 мм), 21700 (21 × 70 мм) или 26650 (26 × 65 мм). В цилиндрических и призматических ячейках слои материала батареи свернуты внутри, как рулет из желе. Литий-ионные цилиндрические и призматические элементы упаковываются в металлические банки.

Призматические или кирпичные ячейки часто являются экономически эффективными и доступны в бесчисленных размерах. Одной из основных особенностей призматической ячейки является выпускное отверстие с клеммами в верхней части металлической банки. Положительный и отрицательный выводы призматической ячейки представляют собой выступы, выступающие из ячейки. В многоэлементных аккумуляторных блоках с ограниченным пространством рекомендуется использовать призматические элементы, поскольку их прямоугольная форма обеспечивает минимальные воздушные зазоры между элементами.

Литий-полимерные элементы, иногда называемые «ламинатными», доступны в нестандартных размерах. Они могут быть очень тонкими или объемными в зависимости от требуемого формата. Основным преимуществом литий-полимерных аккумуляторов является широкий диапазон доступных форм-факторов. Эти типы ячеек заключены в негибкие пакеты из ламината из алюминиевой фольги толщиной всего 0,1 мм по сравнению с толщиной 0,25–0,40 мм алюминиевых или стальных банок, используемых для заключения цилиндрических или призматических ячеек. В отличие от цилиндрических элементов, в категории литий-полимерных не так много стандартных габаритов. Это приводит к множеству предложений сотовой связи.

Крупные производители смартфонов и других портативных устройств отдают предпочтение литий-полимерным элементам, поскольку они имеют более гибкие габариты. За последнее десятилетие многие персональные компьютеры перешли с цилиндрических элементов на литий-полимерные, что открыло путь к более тонким и легким ноутбукам и планшетам.

Cell Chemistry Trends

Основные химические процессы в литий-ионных элементах определяют рабочие характеристики элементов. За последнее десятилетие было введено множество клеточных химических процессов, и каждая из этих формул выявила четкие тенденции. Наиболее распространенными клеточными химическими веществами являются оксид лития-кобальта (LCO), оксид лития-никеля-кобальта-алюминия (NCA), оксид лития-никеля-марганца-кобальта (NMC) и фосфат лития-железа (LFP).

Десять лет назад LCO был наиболее распространенным химическим веществом для цилиндрических и призматических элементов. Тем не менее, NMC вырвался вперед с лучшими рабочими характеристиками среди всех клеточных химических веществ. Он также более экономичен, так как использует меньше кобальта, который находится в ограниченном количестве и является дорогим.

Никель и марганец улучшают характеристики друг друга, а вариации базовой формулы приводят к более совершенным элементам с большей мощностью. По оценкам отраслевых аналитиков, к 2025 году на NMC будет приходиться 20% всех литий-ионных аккумуляторных элементов на рынке. Кроме того, NMC предпочитают производители электромобилей (EV). Ведущими производителями ячеек NMC являются BYD, LG, Murata, Panasonic/Sanyo и Samsung.

Химия LFP также обеспечивает хорошие электрохимические характеристики с низким импедансом, поскольку в ней используется фосфатный материал для катода. Ключевыми преимуществами являются высокая подача тока и исключительный срок службы, хорошая термическая стабильность и превосходная безопасность в неблагоприятных условиях. Эти типы элементов имеют более безопасный катодный материал, чем батареи NMC, и не разлагаются при более высоких температурах. Литий-ионные элементы, как правило, содержат легковоспламеняющиеся вещества; если они повреждены или перезаряжены, они могут неконтролируемо перегреться в результате теплового разгона. Перегрев может привести к задымлению, возгоранию или даже взрыву.

Батареи LFP обеспечивают наилучшую термическую и химическую стабильность. Кроме того, поскольку LFP имеет меньшую плотность энергии (как по объему, так и по весу) и более высокую стоимость ватт-часа, чем батареи LCO, NCA, NMC или LFP, они идеально подходят для приложений, которым требуются высокая номинальная мощность и длительный срок службы. или повышенные рабочие температуры. Традиционно в конкретных приложениях LCO/NCA/NMC и LFP почти не пересекались. К ведущим производителям ячеек LFP относятся BAK, BYD, CALB и CATL.

Батарейные элементы NMC вытесняют элементы LFP в некоторых приложениях из-за повышения номинальной мощности, высокой плотности энергии и более низкой стоимости ватт-часа. Они также начинают заменять элементы LFP в мощных системах, таких как электроинструменты, батареи для погрузочно-разгрузочного оборудования и силовые агрегаты для электрических автобусов.

Для каждого химического состава элемента существует сегментация внутри каждой категории, поскольку производители аккумуляторов продвигают свою продукцию в сегменте рынка с высокой энергией или большой мощностью. Мы начинаем видеть больше совпадений между мощными NMC и высокоэнергетическими ячейками LFP. Во многих случаях уже нет явно превосходящего химического состава клеток для определенного набора требований к производительности.

Green Cubes Technology производит аккумуляторные батареи для многих промышленных применений, и компания обычно использует элементы NMC или LFP. Разрыв в производительности между NMC и LFP сокращается.

Тенденции форматов ячеек

К обзору: Литий-ионные элементы, упакованные в металлические корпуса, бывают двух форм — цилиндрической и призматической.

Цилиндрические элементы бывают разных форматов, но традиционно самым популярным форматом для аккумуляторных элементов LCO, NCA и NMC был 18650. И когда Panasonic объединилась с Tesla для создания новой батареи для электромобилей, они разработали уникальный элемент 21700 формат.

Увеличение размеров элемента 18650 на несколько миллиметров (рис. 1) приводит к увеличению объема активного материала батареи на 50%. В настоящее время этот размер ячейки поддерживается большинством ведущих производителей ячеек NMC. В результате 18650 и 21700 являются двумя наиболее распространенными форматами для химии NMC. Если вы выберете ячейку 18650 или 21700 для создания аккумуляторной батареи NMC, вы гарантированно найдете альтернативную ячейку с аналогичными характеристиками, учитывая стандартизацию.

По данным отраслевых аналитиков, в 2020 году было отгружено более 2 миллиардов ячеек формата 21700, что на 25% больше, чем в предыдущем году. По другим оценкам, на эти типы элементов также приходилось 24% всех цилиндрических батарей, отгруженных в 2020 году. Ячейка 26650 обычно не сочетается с химией NMC. Меньшие призматические форматы NMC, такие как 103450 (10 × 34 × 50 мм), в последние годы потеряли популярность, поскольку литий-полимерные элементы стали более популярными.

Для ячеек LFP распространены форматы 18650 и 26650; оба, как правило, предлагаются ведущими производителями ячеек LFP (рис. 2) . Это позволяет использовать двойные источники от конкурирующих производителей элементов при выборе элементов LFP для аккумуляторной батареи. Формат 26650 был в значительной степени ограничен химией ячеек LFP. Большие призматические ячейки LFP емкостью от 50 до 100 А·ч за последние несколько лет приобрели большую популярность.

Призматические форматы LFP большего размера обычно используются в электромобилях или промышленном оборудовании, таком как вилочные погрузчики (рис. 3) . Эти аккумуляторы классифицируются как средне- или крупногабаритные и требуют очень высокой мощности. К сожалению, стандартов для крупноформатных призматических элементов LFP недостаточно, поэтому любой элемент, выбранный для аккумуляторной батареи, будет поставляться из одного источника от конкретного производителя.

Заключение

При разработке мобильного или портативного устройства, в котором для питания используются литий-ионные аккумуляторы, важно помнить о различных форматах и ​​химических элементах, представленных на рынке. Выбор ячейки является наиболее важным решением на ранней стадии проектирования не только аккумуляторной батареи, но и конечного устройства. Выбор литий-ионного формата и химического состава с учетом рыночного импульса может помочь гарантировать длительный жизненный цикл элемента и предоставить дорожную карту повышения производительности и снижения затрат на протяжении всего срока службы элемента.

Типы литий-ионных элементов

Добро пожаловать в третью статью в нашей серии блогов «Литий-ионные батареи 101». В этом блоге «Типы литий-ионных элементов» мы рассмотрим наиболее распространенные формы аккумуляторных элементов, подчеркнув их преимущества и почему они выбраны для определенных приложений.

Устройства и оборудование с батарейным питанием бывают всех форм и размеров, как и питающие их батареи. Существует четыре распространенных типа аккумуляторных элементов: кнопка или монета, призматический, полимерный или пакетный и цилиндрический. Каждый из этих форматов элементов доступен в различных размерах и химическом составе, но мы сосредоточимся на литий-ионных (Li-ion) перезаряжаемых типах.

Кнопочные ячейки 

Кнопочные ячейки, также известные как монетоприемники, получили свое название, потому что их круглый маленький дизайн напоминает монету или пуговицу. Они заключены в металлический корпус (банку) и доступны в стандартных размерах, обычно в зависимости от их диаметра и толщины. Например, ячейка CR2032 имеет диаметр 20 мм и толщину 3,2 мм. Кнопочные элементы обычно представляют собой первичные (неперезаряжаемые) элементы, используемые в приложениях и устройствах, для которых требуется батарея компактного размера. Эти типы ячеек, как правило, обеспечивают питание для резервной памяти в устройствах, которым не требуется большая емкость. Миниатюрный размер кнопочной ячейки делает ее идеальной для небольших портативных устройств или носимых потребительских и медицинских устройств, таких как часы, слуховые аппараты, медицинские носимые имплантаты, лазерные указки и устройства дистанционного запуска.

Призматические ячейки

Призматические ячейки появились в начале 1990-х годов. Эти элементы упакованы в жесткий сварной алюминиевый или стальной корпус «металлическая банка». Его внешний вид прочный, но удовлетворяет потребность в тонкой ячейке. На рынке доступно всего несколько стандартных размеров, названия которых основаны на их толщине, ширине и длине. Например, стандартный 103450 имеет толщину 10 мм, ширину 34 мм и длину 50 мм. Низкопрофильная конструкция призматического элемента улучшает использование объема внутри аккумуляторной батареи, но этот тип элемента может быть дорогим в производстве. Эти элементы также менее эффективны в управлении температурой, имеют более короткий срок службы, чем цилиндрические элементы, и могут давать вздутие. Сегодня литий-призматические элементы обычно используются в тонкопрофильных портативных устройствах, таких как телефоны, планшеты и ноутбуки, но также доступны в более крупных форматах для таких приложений, как электромобили/автобусы и гибриды.

Полимерные элементы

Полимерные или карманные элементы появились в производстве аккумуляторов примерно в 1995 году. Они похожи на призматические элементы, но не имеют жесткого внешнего корпуса. Эти элементы запечатаны в пакет из фольги (ламината), а их электролитическая гибкость позволяет легко изготавливать тонкие профили различных форм, вырезов и изгибов. Мешочкообразные клетки имеют самую высокую эффективность упаковки и большую плотность энергии, но имеют тенденцию к набуханию и, следовательно, более уязвимы для проникновения. Литий-полимерные элементы нормального размера обычно используются в портативных устройствах с тонким профилем, таких как мобильные телефоны, современные планшеты и тонкие ноутбуки. Они также популярны в портативных приложениях, требующих высоких токов нагрузки, таких как дроны и гаджеты для хобби. Изогнутые полимерные элементы, как правило, используются в носимых бытовых и медицинских устройствах, в то время как полимерные элементы большого формата используются в системах накопления энергии (ESS), а также в электрических и гибридных транспортных средствах.

Цилиндрические элементы

Когда кто-то думает о батарее, первое, что может прийти на ум, это элементы цилиндрической формы, такие как батарея AA. Цилиндрический элемент является наиболее часто используемой формой для всех типов элементов, первичных (неперезаряжаемых) и вторичных (перезаряжаемых), в различных химических процессах, таких как литий-ионные (Li-ion) и даже в некоторых свинцово-кислотных системах. Эти клетки заключены в металлическую банку и названы в зависимости от их диаметра и длины. Для литий-ионных аккумуляторов наиболее распространенными размерами являются 18650 (диаметр 18 мм, длина 65 мм), 26650 (диаметр 26 мм, длина 65 мм) и 21700 (диаметр 21 мм, длина 70 мм).

Цилиндры симметричны, имеют прочную механическую форму и могут быть эффективно упакованы. Эта форма помогает свести к минимуму напряжение и концентрацию внутреннего давления. При сборке в аккумуляторную батарею литий-ионные цилиндрические элементы имеют более высокую плотность энергии, чем плоские литий-ионные элементы. Цилиндрическая ячейка чрезвычайно универсальна и является предпочтительным выбором для конфигураций с несколькими ячейками, обычно используемых в таких приложениях, как медицина, военные, потребительские, промышленные, электромобили и т. д.

Теперь, когда у нас есть краткий обзор четырех основных типов клеток, в следующем блоге мы углубимся в выбор клеток.