Типи акумуляторних елементів

Коли батарейки почали масово виробляти, конструкція банок змінилася на циліндричну. Великий елемент F для ліхтарів був представлений у 1896 році, а елемент D — у 1898 році. Через потребу в менших елементах, елемент C з'явився у 1900 році, а популярний елемент AA був представлений у 1907 році. 

Циліндрична комірка

Циліндричний елемент продовжує залишатися одним із найпоширеніших типів упаковки для первинних та вторинних акумуляторів. Перевагами є простота виготовлення та хороша механічна стійкість. Трубчастий циліндр може витримувати високий внутрішній тиск без деформації.

Багато циліндричних елементів на основі літію та нікелю містять датчик з позитивним тепловим коефіцієнтом (PTC). Під впливом надмірного струму нормально провідний полімер нагрівається та стає резистивним, зупиняючи протікання струму та діючи як захист від короткого замикання. Після усунення короткого замикання PTC охолоджується та повертається до провідного стану.

Більшість циліндричних елементів також мають механізм скидання тиску, а найпростіша конструкція використовує мембранне ущільнення, яке розривається під високим тиском. Після розриву мембрани може виникнути витік та висихання. Переважною конструкцією є повторно герметичні вентиляційні отвори з пружинним клапаном. Деякі споживчі літій-іонні елементи містять пристрій переривання заряду (CID), який фізично та безповоротно відключає елемент, коли активується до небезпечного тиску. На рисунку 1 показано поперечний переріз циліндричного елемента.

Рисунок 1: Поперечний переріз літій-іонного циліндричного елемента
Циліндричний елемент має добру циклічну здатність, пропонує тривалий календарний термін служби та є економічним, але важкий та має низьку щільність упаковки через об'ємні порожнини.

Типовими сферами застосування циліндричних елементів є електроінструменти, медичні прилади, ноутбуки та електровелосипеди. Щоб дозволити варіації в межах заданого розміру, виробники використовують елементи з частковою довжиною, такі як формати половина та три чверті, а нікель-кадмієві елементи забезпечують найбільший вибір елементів. Деякі перейшли до нікель-металгідридних акумуляторів, але не до літій-іонних, оскільки цей хімічний склад встановив власні формати. 18650, зображений на рисунку 2, залишається одним з найпопулярніших корпусів елементів. Типовими сферами застосування літій-іонних акумуляторів 18650 є електроінструменти, медичні прилади, ноутбуки та електровелосипеди.

Рисунок 2: Популярний літій-іонний елемент 18650
Металевий циліндр має діаметр 18 мм і довжину 65 мм. Більший елемент 26650 має діаметр 26 мм.

У 2013 році було вироблено 2,55 мільярда елементів типу 18650. Ранні енергетичні елементи мали ємність 2,2 А·год; їх замінили на елементи ємністю 2,8 А·год. Нові елементи зараз мають ємність 3,1 А·год, а до 2017 року їхня ємність збільшиться до 3,4 А·год. Виробники елементів готуються до появи елементів типу 18650 ємністю 3,9 А·год.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Батарея 18650 цілком може бути найбільш оптимізованою, вона пропонує одну з найнижчих цін на Вт·год і має хороші показники надійності. Оскільки споживачі переходять на плоскі дизайни смартфонів і планшетів, попит на 18650 зменшується, і на рисунку 3 показано надлишок пропозиції, який коригується завдяки попиту на електромобілі Tesla, які також поки що використовують цей формат елементів. Станом на кінець 2016 року індустрія акумуляторів побоюється дефіциту акумуляторів для задоволення зростаючого попиту на електромобілі.

Рисунок 3: Попит та пропозиція 18650

Попит на 18650 досяг би піку у 2011 році, якби не нові потреби у військовій сфері, медицині та дронах, включаючи електромобіль Tesla. Перехід на плоский дизайн у споживчих товарах та більший формат для електричного силового агрегату зрештою призведе до перенасичення 18650. Новим продуктом є 21700.

Існують інші циліндричні літій-іонні формати з розмірами 20700, 21700 та 22700. Тим часом Tesla, Panasonic та Samsung обрали 21700 через простоту виробництва, оптимальну ємність та інші переваги. У той час як 18650 має об'єм приблизно 16 см³ ( 16 мл) з ємністю близько 3000 мАг, елемент 21700 має приблизно 24 см³ ( 24 мл) з зазначеною ємністю до 6000 мАг, що фактично подвоює ємність зі збільшенням об'єму на 50%. Tesla Motor називає новий 21700 своєї компанії «елементом з найвищою щільністю енергії, який також є найдешевшим». (Номенклатура 2170, яку пропагує Tesla, не зовсім правильна; останній нуль моделі 21700 описує циліндричний елемент, що відповідає стандарту IEC.)

Більший елемент живлення 26650 діаметром 26 мм не користується такою ж популярністю, як 18650. 26650 зазвичай використовується в системах вирівнювання навантаження. Кажуть, що товстіший елемент важче побудувати, ніж тонший. Перевага надається довшим елементам. Також існує модель 26700 виробництва E-One Moli Energy.

Деякі свинцево-кислотні системи також запозичують циліндричну конструкцію. Відомий як Hawker Cyclone, цей елемент пропонує покращену стабільність елемента, вищі струми розряду та кращу температурну стабільність порівняно зі звичайною призматичною конструкцією. Hawker Cyclone має власний формат.

Навіть попри те, що циліндричний елемент не використовує простір повністю, створюючи повітряні порожнини при розміщенні поруч, 18650 має вищу щільність енергії, ніж призматичний/кішечний літій-іонний елемент. 3Ah 18650 забезпечує 248Ah/кг, тоді як сучасний кішечний елемент має близько 140Ah/кг. Вища щільність енергії циліндричного елемента компенсує його менш ідеальні можливості штабелювання, а порожній простір завжди можна використовувати для охолодження для покращення теплового управління.

Розпаду клітин не завжди можна запобігти, але поширенню можна. Циліндричні комірки часто розміщують на відстані одна від одної, щоб зупинити поширення, якщо одна з них відлетить. Відстань також допомагає в управлінні температурою. Крім того, циліндрична конструкція не змінює розмір. Для порівняння, призматична комірка розміром 5 мм може розширитися до 8 мм з використанням, і необхідно робити певні допуски.

Клітинка-ґудзик

Глазчасті батарейки, також відомі як ґудзикові батарейки, забезпечили компактний дизайн портативних пристроїв 1980-х років. Вища напруга була досягнута шляхом укладання елементів у трубку. Ці батарейки використовувалися в бездротових телефонах, медичних пристроях та захисних щитках в аеропортах.

Хоча багатошарові ґудзикові елементи живлення були невеликими та недорогими у виготовленні, вони втратили популярність і поступилися місцем більш традиційним форматам батарей. Недоліком ґудзикових елементів живлення є їх розбухання при занадто швидкому зарядженні. Гудзикові елементи живлення не мають запобіжного отвору і можуть заряджатися лише протягом 10-16 годин; однак новіші конструкції заявляють про можливість швидкого заряджання.

Більшість ґудзикових акумуляторів, що використовуються сьогодні, не перезаряджаються та використовуються в медичних імплантатах, годинниках, слухових апаратах, ключах від автомобіля та резервних копіях пам'яті. На рисунку 4 показано ґудзикові акумулятори в поперечному розрізі.

Рисунок 4: Глазкові елементи живлення мають невеликий розмір, більшість з них в основному призначені для використання з одним елементом

Призматична комірка

З'явившись на початку 1990-х років, сучасні призматичні елементи задовольняють попит на менші розміри. Загорнуті в елегантні упаковки, що нагадують коробку жувальної гумки або маленький шоколадний батончик, призматичні елементи оптимально використовують простір завдяки багатошаровому підходу. Інші конструкції згорнуті та сплющені в псевдопризматичний желеподібний рулон. Ці елементи переважно зустрічаються в мобільних телефонах, планшетах та низькопрофільних ноутбуках ємністю від 800 мАг до 4000 мАг. Універсального формату не існує, і кожен виробник розробляє свій власний.

Призматичні елементи також доступні у великих форматах. Розміщені у зварних алюмінієвих корпусах, елементи забезпечують ємність 20–50 А·год і в основному використовуються для електричних силових агрегатів у гібридних та електричних транспортних засобах. На рисунку 5 показано призматичний елемент.

Рисунок 5: Поперечний переріз призматичної комірки

Призматична комірка покращує використання простору та забезпечує гнучке проектування, але вона може бути дорожчою у виробництві, менш ефективною в управлінні температурою та мати коротший термін служби, ніж циліндрична конструкція. Враховуйте деяке набухання.

Призматична комірка потребує щільного корпусу для досягнення стиснення. Деяке набухання через накопичення газу є нормальним явищем, і необхідно враховувати припуск на ріст; комірка розміром 5 мм (0,2 дюйма) може вирости до 8 мм (0,3 дюйма) після 500 циклів. Припиніть використання батареї, якщо деформація тисне на батарейний відсік. Випуклі батареї можуть пошкодити обладнання та поставити під загрозу безпеку.

Клітинка-«кішечка» (пакетна)

У 1995 році пакетний елемент здивував світ акумуляторів радикально новим дизайном. Замість використання металевого циліндра та скляно-металевого електричного з'єднання, до електродів були приварені провідні фольговані виводи та виведені назовні повністю герметично. На рисунку 6 зображено пакетний елемент.

Рисунок 6: Кішечка

Пакетний елемент пропонує просте, гнучке та легке рішення для конструкції акумулятора. Рекомендується певний тиск у стеку, але необхідно враховувати можливість розбухання. Пакетні елементи можуть видавати високі струми навантаження, але найкраще працюють за умов легкого навантаження та помірного заряджання.

Пакетова батарея найефективніше використовує простір і досягає ефективності упаковки 90–95 відсотків, що є найвищим показником серед акумуляторних блоків. Відмова від металевого корпусу зменшує вагу, але елементу потрібна підтримка та допуск для розширення в акумуляторному відсіку. Пакетові батареї використовуються у споживчих, військових та автомобільних сферах. Стандартизованих пакетних батарей не існує; кожен виробник розробляє свої власні.

Пакети-пакети зазвичай літій-полімерні. Маленькі елементи популярні для портативних застосувань, що потребують високих струмів навантаження, таких як дрони та гаджети для хобі. Більші елементи ємністю 40 Аг використовуються в системах накопичення енергії (ESS), оскільки менша кількість елементів спрощує конструкцію акумулятора.

Хоча їх легко штабелювати, необхідно враховувати можливість набухання. У той час як менші пакети можуть збільшитися на 8–10 відсотків за 500 циклів, великі елементи можуть розширитися до такого розміру за 5000 циклів. Найкраще не складати елементи пакетів один на одного, а класти їх рівно, поруч або залишати додатковий простір між ними. Уникайте гострих країв, які можуть напружувати елементи пакетів під час їх розширення.

Надмірне набухання викликає занепокоєння. Користувачі пакетів-упаковок повідомляли про випадки набухання до 3 відсотків під час неякісного партійного виробництва. Тиск, що створюється, може тріснути кришка акумулятора, а в деяких випадках зламати дисплей та електронні плати. Припиніть використання надутого акумулятора та не проколюйте надутий елемент поблизу джерел тепла або вогню. Гази, що виходять, можуть спалахнути. На рисунку 7 показано роздутий пакет-елемент.

Рисунок 7: Набряклий елемент

Набряк може виникати через газоутворення. У новіших конструкціях вносяться вдосконалення. Конструкції з великими мішечковими комірам менше набрякають. Гази містять переважно CO2 ( вуглекислий газ) та CO (чадний газ).

Пакети для акумуляторів виготовляються шляхом додавання тимчасового «газового мішка» збоку. Гази потрапляють у газовий мішок, формуючи твердий електролітний інтерфейс (SEI) під час першого заряджання. Газовий мішок розрізається, а батарея повторно герметизується в рамках завершального процесу. Формування твердого SEI є ключем до належної практики форматування. Подальші заряджання повинні виробляти мінімальну кількість газів, проте утворення газів, також відомого як газоутворення, неможливо повністю уникнути. Воно спричинене розкладанням електроліту в процесі використання та старіння. Напруження, такі як перезаряджання та перегрів, сприяють газоутворенню. Роздування при нормальному використанні часто вказує на дефектну партію.

Технологія дозріла, і призматичні та пакетні елементи мають потенціал для більшої ємності, ніж циліндричний формат. Великі плоскі батареї служать для електричних силових агрегатів та систем накопичення енергії (ESS) з хорошими результатами. Вартість за кВт⋅год у призматичному/пакетному елементі все ще вища, ніж у елементі 18650, але це змінюється. На рисунку 8 порівнюється ціна циліндричних, призматичних та пакетних елементів, також відомих як ламіновані. Конструкції плоских елементів стають конкурентоспроможними за ціною, і експерти з акумуляторів прогнозують перехід до цих форматів елементів, особливо якщо можна виконати ті ж критерії продуктивності, що й циліндричний формат.

Рисунок 8: Ціна літій-іонних акумуляторів ($US/Вт·год)

Історично склалося так, що виробничі витрати призматичних та пакетних форматів (ламінату) були вищими, але вони зближуються з комірчастою конструкцією. Ціноутворення включає виробництво лише голих комірок.

Азійські виробники елементів очікують зниження вартості чотирьох найпоширеніших літій-іонних елементів, а саме: 18650, 21700, призматичних та пакетних елементів. 21700 обіцяє найбільше зниження вартості протягом багатьох років та економічне виробництво, досягнувши цінової рівноваги з пакетними елементами до 2025 року (Рисунок 9).

Рисунок 9: Порівняння цін на типи літій-іонних елементів

Автоматизація забезпечує цінову рівновагу моделі 21700 з пакетною коміркою у 2025 році. Це не включає упаковку, де призматичні та пакетні комірки мають переваги у вартості.

Фраунгофер прогнозує найшвидше зростання для 21700 та пакетних елементів, тоді як популярний 18650 збереже свої позиції. Вартість за кВт⋅год не включає BMS та упаковку. Вибраний тип елемента залежить від вартості упаковки, оскільки призматичні елементи можна легко штабелювати; пакетні елементи можуть вимагати певного стиснення, а циліндричні елементи потребують систем підтримки, які створюють порожнечі. Великі батареї для електромобілів також включають клімат-контроль, що збільшує вартість.

Короткий висновок

За допомогою пакет-комірок виробник намагається спростити виробництво комірок, відтворюючи упаковку харчових продуктів. Кожен формат має свої переваги та недоліки, як зазначено нижче.