الوجبات السريعة الرئيسية:
- الخلايا المنشورية مقابل الخلايا الأسطوانية: توفر الخلايا المنشورية كثافة طاقة حجمية أعلى وهي مناسبة لحزم البطاريات الكبيرة، بينما توفر الخلايا الأسطوانية كثافة طاقة وزنية أعلى وتكاليف تصنيع أقل.
- حالات الاستخدام المثالية: تتفوق الخلايا المنشورية في مجموعات بطاريات السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة الكبيرة، بينما تُفضل الخلايا الأسطوانية في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والأدوات الكهربائية.
- الاتجاهات والتوقعات: أصبح التحول نحو الخلايا المنشورية للمركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة واضحًا، لكن الخلايا الأسطوانية تظل مهيمنة في التطبيقات الحساسة من حيث التكلفة.
المنشورية والأسطوانية هما الأكثر شيوعًا بطارية ليثيوم أيون أشكال الخلايا المستخدمة اليوم. في حين أن لكل منهما مزايا وعيوب مميزة لتطبيقات مختلفة، فإن الخلايا المنشورية تكتسب شعبية لقدرتها الفعالة على التعبئة وملاءمتها للخلايا الكبيرة. حزم البطارية. تقارن هذه المقالة الخلايا المنشورية والخلايا الأسطوانية بعمق، وتحلل الاختلافات الرئيسية في الحجم والأداء والتكلفة وحالات الاستخدام المثالية.
ما هي خلايا البطارية المنشورية؟
تعريف ووصف الخلايا المنشورية
خلايا البطارية المنشورية، كما يوحي اسمها، هي منشورية الشكل – لديهم شكل مستطيل يشبه الصندوق. على المدى “موشوري” يشير إلى شكل المنشور الهندسي.
تعمل الخلايا المنشورية على زيادة مساحة الأسطح المسطحة للطبقات الأنودية والكاثودية والفاصلة، مما يسمح بتكديسها بكفاءة.
كيف يتم بناء الخلايا المنشورية
يتم إنشاء الخلايا المنشورية عن طريق تكديس طبقات متناوبة من الكاثود والأنود والمواد الفاصلة، ثم تغليفها في علبة مستطيلة من الألومنيوم أو الفولاذ. يتم توصيل طبقات القطب الكهربائي عبر علامات التبويب، مما يسمح بتدفق التيار.
كما أنها تحتوي على المنحل بالكهرباء لنقل الأيونات. يساعد الغلاف الصلب في الحفاظ على شكل الخلية ويوفر السلامة الهيكلية.
أحجام الخلايا المنشورية المشتركة والكيمياء
تشمل أحجام بطاريات الليثيوم أيون المنشورية الشائعة 103450 (103 مم × 45 مم)، و14650 (146 مم × 50 مم)، وأشكال أكبر مثل 22700 و32113. وعلى عكس الخلية الأسطوانية 18650، فإن هذه الأحجام مخصصة خصيصًا للأشكال الهندسية المنشورية.
غالبًا ما يتم تجميع الخلايا المنشورية معًا في وحدات وتعبئتها بكفاءة لتكوين مجموعات بطاريات كبيرة للسيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة والتطبيقات الأخرى التي تتطلب سعة عالية.
يعد فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) وأكسيد كوبالت النيكل والمنغنيز (NMC) من كيمياء الكاثود الشائعة المستخدمة في الخلايا المنشورية. يتيح الشكل المنشوري المرونة في صياغة الكاثود وأبعاد الخلية لتحسين الأداء.
ما هي خلايا البطارية الأسطوانية؟
تعريف ووصف الخلايا الأسطوانية
خلايا البطارية الأسطوانية، كما يوحي الاسم، لها شكل أسطواني طويل يشبه الأنبوب أو العلبة. يتم لف صفائح القطب الموجب والسالب أو لفها في ملف “لفة جيلي” وتوضع داخل علبة معدنية أسطوانية، عادة ما تكون مصنوعة من الفولاذ أو الألومنيوم. يؤدي هذا إلى إنشاء كومة حلزونية متناوبة من الكاثود والأنود والمواد الفاصلة داخل الخلية.
يعمل التصميم الأسطواني على زيادة مساحة صفائح الأقطاب الكهربائية التي يمكن وضعها داخل المساحة الضيقة. يساعد التناظر الشعاعي أيضًا على توزيع الضغط والقوى الداخلية بالتساوي. تأتي الخلايا الأسطوانية بأقطار وارتفاعات مختلفة لاستيعاب القدرات المختلفة.
كيف يتم بناء الخلايا الأسطوانية
خلية أسطوانية تصنيع يبدأ طلاء صفائح الكاثود والأنود على رقائق معدنية رقيقة، عادةً ما تكون من النحاس للأنود والألمنيوم للكاثود. يتم بعد ذلك لف هذه الصفائح المطلية بإحكام باستخدام غشاء فاصل لتكوين مجموعة قطب كهربائي من لفة الهلام. في بعض الأحيان، يتم تكديس صفائح الأقطاب الكهربائية وطيها بدلاً من جرحها.
يتم إدخال لفة الجيلي في العلبة الأسطوانية المصنوعة من الفولاذ أو الألومنيوم، والتي تعمل بمثابة الغلاف الخارجي. غطاء وحشية يغلقان العلبة. وأخيرًا، يتم حقن الإلكتروليت في الخلية لتمكين تدفق الأيونات بين الأنود والكاثود. توفر العلبة الأسطوانية الهيكل وتحمي الأقطاب الكهربائية.
تضمن آلات اللف الأوتوماتيكية إحكامًا ومحاذاة متسقة لفات الجيلي أثناء الإنتاج بكميات كبيرة. يعد اللف الدقيق أمرًا بالغ الأهمية لتقليل المقاومة الكهربائية وزيادة الأداء.
أحجام الخلايا الأسطوانية الشائعة والكيمياء
بعض أحجام بطاريات الليثيوم أيون الأسطوانية الأكثر استخدامًا هي 18650، 26650و 21700 و 20700 خلية. يُستخدم الحجم 18650 بشكل شائع في بطاريات الكمبيوتر المحمول والأدوات الكهربائية والأجهزة الاستهلاكية الأخرى. تزداد شعبية التنسيقات الأكبر حجمًا مثل 21700 و26650 للدراجات الإلكترونية والدراجات البخارية والمركبات الكهربائية.
تستخدم الخلايا الأسطوانية تقليديًا أكسيد كوبالت الليثيوم (LiCoO2) وأكسيد منغنيز الليثيوم (LiMn2O4) كمواد كاثودية. الآن، أصبحت الكيمياء الغنية بالنيكل مثل أكسيد ألومنيوم كوبالت النيكل (NCA) وأكسيد كوبالت النيكل والمنغنيز (NMC) شائعة أيضًا في الخلايا الأسطوانية عالية الأداء.
الاختلافات الرئيسية بين الخلايا المنشورية والاسطوانية
الحجم والشكل
- عادة ما تكون الخلايا المنشورية أكبر حجمًا. تتراوح الأحجام المنشورية الشائعة من 103450 (103 × 45 مم) إلى 530450 (530 × 450 مم) أو أكبر.
- تتضمن أحجام الخلايا الأسطوانية الشائعة 18650 (18 × 65 ملم)، و26650 (26 × 65 ملم)، و21700 (21 × 70 ملم). الحد الأقصى للخلايا الأسطوانية يبلغ حوالي 46 × 150 مم.
- تتمتع الخلايا المنشورية بكثافة طاقة حجمية تبلغ حوالي 600-700 واط ساعة/لتر مقارنة بـ 500-600 واط ساعة/لتر للخلايا الأسطوانية.
كثافة الطاقة والطاقة
- تحقق الخلايا الأسطوانية كثافة طاقة وزنية أعلى تبلغ 260 وات ساعة/كجم مقارنة بحوالي 200 وات ساعة/كجم للخلايا المنشورية.
- تصل كثافة الطاقة للخلايا الأسطوانية عالية الجودة إلى 1500 واط/كجم مقابل 1000-1200 واط/كجم للخلايا المنشورية.
التصنيع والتكاليف
- يمكن لآلات لف الخلايا الأسطوانية إنتاج أكثر من 300000 خلية يوميًا بتكاليف عمالة أقل.
- يحتوي تصنيع الخلايا المنشورية واسعة النطاق على خطوات أكثر تعقيدًا في التكديس والضغط واللحام. ويبلغ الإنتاج حوالي 50 ألف خلية يوميا.
- ونتيجة لذلك، تتمتع الخلايا الأسطوانية حاليًا بتكلفة أقل بنسبة 15-20% لكل كيلوواط ساعة مقارنة بالخلايا المنشورية.
الأداء وعمر الخدمة
- غالبًا ما تدوم الخلايا المنشورية أكثر من 5000 دورة شحن/تفريغ قبل أن تتحلل بنسبة 20%.
- تحقق الخلايا الأسطوانية عادة ما بين 2000 إلى 3000 دورة قبل أن تتحلل بنسبة 20% بسبب التورم العالي.
- تتمتع الخلايا المنشورية بمقاومة أعلى بنسبة 5-10% مما يقلل قليلاً من قدرة الطاقة.
فيما يلي القسم الخاص بوقت استخدام الخلايا المنشورية مقابل الخلايا الأسطوانية:
متى يتم استخدام الخلايا المنشورية مقابل الخلايا الأسطوانية
التطبيقات أكثر ملاءمة للخلايا المنشورية
- حزم بطارية السيارة الكهربائية
- أنظمة تخزين الطاقة الكبيرة
- التطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة عالية
تعتبر الخلايا المنشورية مناسبة تمامًا لهذه التطبيقات لأن شكلها وبنيتها يسمحان بحزم بطاريات عالية السعة تتسم بالكفاءة. يتراكم شكل المنشور المستطيل ويحزم بشكل أفضل من الخلايا الأسطوانية.
تتمتع الخلايا المنشورية أيضًا بمزايا مثل قدرة أفضل على الإدارة الحرارية والصلابة الهيكلية لمنع التورم.
التطبيقات أكثر ملاءمة للخلايا الأسطوانية
- الالكترونيات الاستهلاكية
- أدوات كهربائية
- التطبيقات التي تتطلب خلايا أقل تكلفة
تعمل الخلايا الأسطوانية بشكل جيد في هذه التطبيقات لأن تصنيعها بكميات كبيرة غير مكلف. يوفر الشكل الأسطواني أيضًا كثافة طاقة جيدة وقدرة شحن سريعة، وهو أمر مهم للأجهزة مثل الأدوات الكهربائية. يتناسب عامل الشكل الأصغر بشكل جيد مع الأجهزة الإلكترونية المحمولة.
الاتجاهات الحديثة والتوقعات المستقبلية
- التحول نحو الخلايا المنشورية لحزم بطاريات السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة الكبيرة. يتبنى المصنعون بشكل متزايد الخلايا المنشورية للحصول على مزايا التغليف والأداء.
- لا تزال الخلايا الأسطوانية مفضلة للعديد من الأجهزة الإلكترونية والأدوات الاستهلاكية نظرًا لانخفاض تكلفتها. لكن بعض الأجهزة المتميزة تتحول إلى الخلايا المنشورية أيضًا.
- إذا استمرت تكاليف تصنيع الخلايا المنشورية في الانخفاض، فقد تحصل على حصة أكبر من السوق عبر جميع التطبيقات في المستقبل. لكن من المرجح أن تحافظ الخلايا الأسطوانية على هيمنتها في التطبيقات الحساسة من حيث التكلفة.
إيجابيات وسلبيات خلايا البطارية المنشورية مقابل خلايا البطارية الأسطوانية
| موشوري | أسطواني | |
| الايجابيات | كثافة طاقة حجمية عالية دورة حياة طويلة | كثافة طاقة وزنية عالية كثافة طاقة عالية انخفاض تكاليف التصنيع |
| سلبيات | كثافة طاقة أقل قليلاً تكلفة أعلى دولار/كيلوواط ساعة | انخفاض كثافة الطاقة الحجمية دورة حياة أقصر |
عند الاختيار بين خلايا أيون الليثيوم المنشورية والاسطوانية، هناك مفاضلات يجب مراعاتها بناءً على متطلبات التطبيق. توفر الخلايا المنشورية كثافة طاقة ممتازة بفضل شكلها وغطاءها الصلب، مما يجعلها مثالية لحزم البطاريات التي تحتاج إلى زيادة السعة إلى الحد الأقصى. ومع ذلك، توفر الخلايا الأسطوانية طاقة ذروة أعلى وتكلفة أقل، على حساب الكثافة على مستوى العبوة ومشكلات التورم.
بالنسبة للأجهزة الاستهلاكية منخفضة الطاقة حيث التكلفة أمر بالغ الأهمية، تظل الخلايا الأسطوانية هي الخيار السائد. لكن التطبيقات التي تتطلب أعلى كثافات الطاقة مثل المركبات الكهربائية تتحول إلى الأشكال المنشورية على الرغم من ارتفاع تكلفتها. ومع استمرار التحسينات في التصنيع والكثافة، فمن المرجح أن تكتسب الخلايا المنشورية جاذبية أوسع عبر المزيد من التطبيقات في المستقبل. لكن سهولة الإنتاج تعني أن الخلايا الأسطوانية موجودة لتبقى أيضًا، خاصة للاستخدامات الحساسة من حيث التكلفة.
من خلال الموازنة بعناية بين هذه الإيجابيات والسلبيات، يمكن لمهندسي البطاريات اختيار نوع الخلية الأمثل لتلبية متطلبات الأداء والعمر والتكلفة.
مقالات ذات صلة:
