Типы аккумуляторных элементов

Когда батарейки начали массово производить, конструкция банок изменилась на цилиндрическую. Большой элемент F для фонарей был представлен в 1896 году, а элемент D — в 1898 году. Из-за потребности в меньших элементах, элемент C появился в 1900 году, а популярный элемент AA был представлен в 1907 году.

Цилиндрический элемент

Цилиндрический элемент продолжает оставаться одним из самых распространенных типов упаковки для первичных и вторичных аккумуляторов. Преимуществами являются простота изготовления и хорошая механическая стойкость. Трубчатый цилиндр может выдерживать высокое внутреннее давление без деформации.

Многие цилиндрические элементы на основе лития и никеля содержат датчик с положительным температурным коэффициентом (PTC). Под воздействием избыточного тока нормально проводящий полимер нагревается и становится резистивным, останавливая протекание тока и действуя как защита от короткого замыкания. После устранения короткого замыкания PTC остывает и возвращается в проводящее состояние.

Большинство цилиндрических элементов также имеют механизм сброса давления, а самая простая конструкция использует мембранное уплотнение, которое разрывается под высоким давлением. После разрыва мембраны может возникнуть утечка и высыхание. Предпочтительной конструкцией являются повторно герметизируемые вентиляционные отверстия с пружинным клапаном. Некоторые потребительские литий-ионные элементы содержат устройство прерывания заряда (CID), которое физически и необратимо отключает элемент, когда активируется до опасного давления. На рисунке 1 показано поперечное сечение цилиндрического элемента.

Рисунок 1: Поперечное сечение литий-ионного цилиндрического элемента
Цилиндрический элемент имеет хорошую циклируемость, предлагает длительный календарный срок службы и экономичен, но тяжел и имеет низкую плотность упаковки из-за объемных пустот.

Типичными сферами применения цилиндрических элементов являются электроинструменты, медицинские приборы, ноутбуки и электровелосипеды. Чтобы разрешить вариации в пределах заданного размера, производители используют элементы с частичной длиной, такие как форматы половина и три четверти, а никель-кадмиевые элементы обеспечивают наибольший выбор элементов. Некоторые перешли к никель-металлгидридным аккумуляторам, но не к литий-ионным, поскольку эта химическая композиция установила собственные форматы. 18650, изображенный на рисунке 2, остается одним из самых популярных корпусов элементов. Типичными сферами применения литий-ионных аккумуляторов 18650 являются электроинструменты, медицинские приборы, ноутбуки и электровелосипеды.

Рисунок 2: Популярный литий-ионный элемент 18650
Металлический цилиндр имеет диаметр 18 мм и длину 65 мм. Более крупный элемент 26650 имеет диаметр 26 мм.

В 2013 году было произведено 2,55 миллиарда элементов типа 18650. Ранние энергетические элементы имели емкость 2,2 Ач; их заменили на элементы емкостью 2,8 Ач. Новые элементы сейчас имеют емкость 3,1 Ач, а к 2017 году их емкость увеличится до 3,4 Ач. Производители элементов готовятся к появлению элементов типа 18650 емкостью 3,9 Ач.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Батарея 18650 вполне может быть наиболее оптимизированной, она предлагает одну из самых низких цен на Вт·ч и имеет хорошие показатели надежности. Поскольку потребители переходят на плоские дизайны смартфонов и планшетов, спрос на 18650 уменьшается, и на рисунке 3 показан избыток предложения, который корректируется благодаря спросу на электромобили Tesla, которые также пока что используют этот формат элементов. По состоянию на конец 2016 года индустрия аккумуляторов опасается дефицита аккумуляторов для удовлетворения растущего спроса на электромобили.

Рисунок 3: Спрос и предложение 18650

Спрос на 18650 достиг бы пика в 2011 году, если бы не новые потребности в военной сфере, медицине и дронах, включая электромобиль Tesla. Переход на плоский дизайн в потребительских товарах и больший формат для электрической силовой установки в конечном итоге приведет к перенасыщению 18650. Новым продуктом является 21700.

Существуют другие цилиндрические литий-ионные форматы с размерами 20700, 21700 и 22700. Тем временем Tesla, Panasonic и Samsung выбрали 21700 из-за простоты производства, оптимальной емкости и других преимуществ. В то время как 18650 имеет объем примерно 16 см³ (16 мл) с емкостью около 3000 мАч, элемент 21700 имеет примерно 24 см³ (24 мл) с указанной емкостью до 6000 мАч, что фактически удваивает емкость при увеличении объема на 50%. Tesla Motor называет новый 21700 своей компании «элементом с самой высокой плотностью энергии, который также является самым дешевым». (Номенклатура 2170, которую пропагандирует Tesla, не совсем верна; последний ноль модели 21700 описывает цилиндрический элемент, соответствующий стандарту IEC.)

Более крупный элемент питания 26650 диаметром 26 мм не пользуется такой же популярностью, как 18650. 26650 обычно используется в системах выравнивания нагрузки. Говорят, что более толстый элемент труднее построить, чем более тонкий. Предпочтение отдается более длинным элементам. Также существует модель 26700 производства E-One Moli Energy.

Некоторые свинцово-кислотные системы также заимствуют цилиндрическую конструкцию. Известный как Hawker Cyclone, этот элемент предлагает улучшенную стабильность элемента, более высокие токи разряда и лучшую температурную стабильность по сравнению с обычной призматической конструкцией. Hawker Cyclone имеет собственный формат.

Даже несмотря на то, что цилиндрический элемент не использует пространство полностью, создавая воздушные пустоты при размещении рядом, 18650 имеет более высокую плотность энергии, чем призматический/пакетный литий-ионный элемент. 3Ah 18650 обеспечивает 248Ah/кг, в то время как современный пакетный элемент имеет около 140Ah/кг. Более высокая плотность энергии цилиндрического элемента компенсирует его менее идеальные возможности штабелирования, а пустое пространство всегда можно использовать для охлаждения для улучшения теплового управления.

Выход из строя ячеек не всегда можно предотвратить, но распространение можно. Цилиндрические ячейки часто размещают на расстоянии друг от друга, чтобы остановить распространение, если одна из них выйдет из строя. Расстояние также помогает в управлении температурой. Кроме того, цилиндрическая конструкция не меняет размер. Для сравнения, призматическая ячейка размером 5 мм может расшириться до 8 мм с использованием, и необходимо делать определенные допуски.

Элемент-таблетка

Батарейки-таблетки, также известные как пуговичные батарейки, обеспечили компактный дизайн портативных устройств 1980-х годов. Более высокое напряжение было достигнуто путем укладки элементов в трубку. Эти батарейки использовались в беспроводных телефонах, медицинских устройствах и защитных щитках в аэропортах.

Хотя многослойные пуговичные элементы питания были небольшими и недорогими в изготовлении, они потеряли популярность и уступили место более традиционным форматам батарей. Недостатком пуговичных элементов питания является их разбухание при слишком быстрой зарядке. Пуговичные элементы питания не имеют предохранительного отверстия и могут заряжаться только в течение 10-16 часов; однако более новые конструкции заявляют о возможности быстрой зарядки.

Большинство пуговичных аккумуляторов, используемых сегодня, не перезаряжаются и используются в медицинских имплантатах, часах, слуховых аппаратах, ключах от автомобиля и резервных копиях памяти. На рисунке 4 показаны пуговичные аккумуляторы в поперечном разрезе.

Рисунок 4: Элементы-таблетки имеют небольшой размер, большинство из них в основном предназначены для использования с одним элементом

Призматический элемент

Появившись в начале 1990-х годов, современные призматические элементы удовлетворяют спрос на меньшие размеры. Завернутые в элегантные упаковки, напоминающие коробку жвачки или маленький шоколадный батончик, призматические элементы оптимально используют пространство благодаря многослойному подходу. Другие конструкции свернуты и сплющены в псевдопризматический желеобразный рулон. Эти элементы преимущественно встречаются в мобильных телефонах, планшетах и низкопрофильных ноутбуках емкостью от 800 мАч до 4000 мАч. Универсального формата не существует, и каждый производитель разрабатывает свой собственный.

Призматические элементы также доступны в больших форматах. Размещенные в сварных алюминиевых корпусах, элементы обеспечивают емкость 20–50 Ач и в основном используются для электрических силовых установок в гибридных и электрических транспортных средствах. На рисунке 5 показан призматический элемент.

Рисунок 5: Поперечное сечение призматического элемента

Призматический элемент улучшает использование пространства и обеспечивает гибкое проектирование, но он может быть дороже в производстве, менее эффективным в управлении температурой и иметь более короткий срок службы, чем цилиндрическая конструкция. Учитывайте некоторое набухание.

Призматический элемент требует плотного корпуса для достижения сжатия. Некоторое набухание из-за накопления газа является нормальным явлением, и необходимо учитывать припуск на рост; элемент размером 5 мм (0,2 дюйма) может вырасти до 8 мм (0,3 дюйма) после 500 циклов. Прекратите использование батареи, если деформация давит на батарейный отсек. Выпуклые батареи могут повредить оборудование и поставить под угрозу безопасность.

Пакетный элемент (Pouch Cell)

В 1995 году пакетный элемент удивил мир аккумуляторов радикально новым дизайном. Вместо использования металлического цилиндра и стекло-металлического электрического соединения, к электродам были приварены проводящие фольгированные выводы и выведены наружу полностью герметично. На рисунке 6 изображен пакетный элемент.

Рисунок 6: Пакетный элемент

Пакетный элемент предлагает простое, гибкое и легкое решение для конструкции аккумулятора. Рекомендуется определенное давление в стеке, но необходимо учитывать возможность разбухания. Пакетные элементы могут выдавать высокие токи нагрузки, но лучше всего работают в условиях легкой нагрузки и умеренной зарядки.

Пакетная батарея наиболее эффективно использует пространство и достигает эффективности упаковки 90–95 процентов, что является самым высоким показателем среди аккумуляторных блоков. Отказ от металлического корпуса уменьшает вес, но элементу нужна поддержка и допуск для расширения в аккумуляторном отсеке. Пакетные батареи используются в потребительских, военных и автомобильных сферах. Стандартизированных пакетных батарей не существует; каждый производитель разрабатывает свои собственные.

Пакетные элементы обычно литий-полимерные. Маленькие элементы популярны для портативных приложений, требующих высоких токов нагрузки, таких как дроны и гаджеты для хобби. Более крупные элементы емкостью 40 Ач используются в системах накопления энергии (ESS), поскольку меньшее количество элементов упрощает конструкцию аккумулятора.

Хотя их легко штабелировать, необходимо учитывать возможность набухания. В то время как меньшие пакеты могут увеличиться на 8–10 процентов за 500 циклов, большие элементы могут расшириться до такого размера за 5000 циклов. Лучше всего не складывать элементы пакетов друг на друга, а класть их ровно, рядом или оставлять дополнительное пространство между ними. Избегайте острых краев, которые могут напрягать элементы пакетов во время их расширения.

Чрезмерное набухание вызывает беспокойство. Пользователи пакетных элементов сообщали о случаях набухания до 3 процентов во время некачественного партийного производства. Создаваемое давление может треснуть крышка аккумулятора, а в некоторых случаях сломать дисплей и электронные платы. Прекратите использование вздутого аккумулятора и не прокалывайте вздутый элемент вблизи источников тепла или огня. Выходящие газы могут воспламениться. На рисунке 7 показан вздутый пакетный элемент.

Рисунок 7: Вздувшийся элемент

Вздутие может возникать из-за газообразования. В более новых конструкциях вносятся усовершенствования. Конструкции с большими пакетными элементами меньше вздуваются. Газы содержат преимущественно CO₂ (углекислый газ) и CO (угарный газ).

Пакеты для аккумуляторов изготавливаются путем добавления временного «газового мешка» сбоку. Газы попадают в газовый мешок, формируя твердый электролитный интерфейс (SEI) во время первой зарядки. Газовый мешок разрезается, а батарея повторно герметизируется в рамках завершающего процесса. Формирование твердого SEI является ключом к надлежащей практике форматирования. Дальнейшие зарядки должны производить минимальное количество газов, однако образование газов, также известное как газообразование, невозможно полностью избежать. Оно вызвано разложением электролита в процессе использования и старения. Напряжения, такие как перезарядка и перегрев, способствуют газообразованию. Вздутие при нормальном использовании часто указывает на дефектную партию.

Технология созрела, и призматические и пакетные элементы имеют потенциал для большей емкости, чем цилиндрический формат. Большие плоские батареи служат для электрических силовых установок и систем накопления энергии (ESS) с хорошими результатами. Стоимость за кВт·ч в призматическом/пакетном элементе все еще выше, чем у элемента 18650, но это меняется. На рисунке 8 сравнивается цена цилиндрических, призматических и пакетных элементов, также известных как ламинированные. Конструкции плоских элементов становятся конкурентоспособными по цене, и эксперты по аккумуляторам прогнозируют переход к этим форматам элементов, особенно если можно выполнить те же критерии производительности, что и цилиндрический формат.

Рисунок 8: Цена литий-ионных аккумуляторов ($US/Вт·ч)

Исторически сложилось так, что производственные затраты призматических и пакетных форматов (ламината) были выше, но они сближаются с цилиндрической конструкцией. Ценообразование включает производство только голых ячеек.

Азиатские производители элементов ожидают снижения стоимости четырех самых распространенных литий-ионных элементов, а именно: 18650, 21700, призматических и пакетных элементов. 21700 обещает наибольшее снижение стоимости в течение многих лет и экономичное производство, достигнув ценового равновесия с пакетными элементами к 2025 году (Рисунок 9).

Рисунок 9: Сравнение цен на типы литий-ионных элементов

Автоматизация обеспечивает ценовое равновесие модели 21700 с пакетной ячейкой в 2025 году. Это не включает упаковку, где призматические и пакетные ячейки имеют преимущества в стоимости.

Фраунгофер прогнозирует самый быстрый рост для 21700 и пакетных элементов, в то время как популярный 18650 сохранит свои позиции. Стоимость за кВт·ч не включает BMS и упаковку. Выбранный тип элемента зависит от стоимости упаковки, поскольку призматические элементы можно легко штабелировать; пакетные элементы могут требовать некоторого сжатия, а цилиндрические элементы нуждаются в системах поддержки, которые создают пустоты. Большие батареи для электромобилей также включают климат-контроль, что увеличивает стоимость.

Краткое заключение

С помощью пакетных элементов производитель пытается упростить производство ячеек, воспроизводя упаковку пищевых продуктов. Каждый формат имеет свои преимущества и недостатки, как указано ниже.