Celdas de batería prismáticas y cilíndricas: ¿cuál es la diferencia?

Conclusiones clave:

• Células prismáticas versus cilíndricas: Las celdas prismáticas ofrecen una mayor densidad de energía volumétrica y son adecuadas para paquetes de baterías grandes, mientras que las celdas cilíndricas proporcionan una mayor densidad de energía gravimétrica y menores costos de fabricación.
• Casos de uso ideales: Las celdas prismáticas destacan en paquetes de baterías de vehículos eléctricos y grandes sistemas de almacenamiento de energía, mientras que las celdas cilíndricas se prefieren para la electrónica de consumo y las herramientas eléctricas.
• Tendencias y perspectivas: El cambio hacia celdas prismáticas para vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía es evidente, pero las celdas cilíndricas siguen siendo dominantes en aplicaciones sensibles a los costos.

Prismáticos y cilíndricos son los dos más comunes. batería de iones de litio Formas de células utilizadas hoy en día. Si bien ambas tienen distintas ventajas y desventajas para diferentes aplicaciones, las celdas prismáticas están ganando popularidad por su capacidad de empaquetamiento eficiente y su idoneidad para grandes paquetes de baterías. Este artículo compara en profundidad celdas prismáticas y cilíndricas, analizando las diferencias clave en tamaño, rendimiento, costo y casos de uso ideales.

¿Qué son las celdas de batería prismáticas?

Definición y descripción de celdas prismáticas.

Las celdas de batería prismáticas, como su nombre indica, tienen forma prismática. – Tienen un factor de forma rectangular, similar a una caja. El término “prismático” se refiere a una forma de prisma geométrico.

Las celdas prismáticas maximizan las áreas de superficie plana de las capas de ánodo, cátodo y separador, lo que permite apilarlas de manera eficiente.

Cómo se construyen las células prismáticas

Las celdas prismáticas se construyen apilando capas alternas de material de cátodo, ánodo y separador, y luego encerrándolas en una lata rectangular de aluminio o acero. Las capas de electrodos están conectadas mediante pestañas, lo que permite que fluya la corriente.

También contiene electrolitos para el transporte de iones. La carcasa dura ayuda a mantener la forma de la celda y proporciona integridad estructural.

Tamaños y químicas comunes de las células prismáticas.

Los tamaños comunes de baterías prismáticas de iones de litio incluyen 103450 (103 mm x 45 mm), 14650 (146 mm x 50 mm) y formatos más grandes como 22700 y 32113. A diferencia de la celda cilíndrica 18650, estos tamaños son específicos para geometrías prismáticas.

Las celdas prismáticas a menudo se agrupan en módulos y se empaquetan de manera eficiente para formar grandes paquetes de baterías para vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energía y otras aplicaciones que requieren alta capacidad.

El fosfato de hierro y litio (LiFePO4) y el óxido de níquel, manganeso y cobalto (NMC) son dos químicas catódicas populares que se utilizan en celdas prismáticas. El formato prismático permite flexibilidad en la formulación del cátodo y las dimensiones de la celda para optimizar el rendimiento.

¿Qué son las celdas de batería cilíndricas?

Definición y descripción de celdas cilíndricas.

Las celdas de batería cilíndricas, como su nombre lo indica, tienen una forma de cilindro largo que se asemeja a un tubo o una lata. Las láminas de electrodos positivo y negativo se enrollan o enrollan en un “rollo de gelatina” y se coloca dentro de una lata de metal cilíndrica, generalmente hecha de acero o aluminio. Esto crea una pila en espiral alterna de material de cátodo, ánodo y separador dentro de la celda.

El diseño cilíndrico maximiza el área de las láminas de electrodos que pueden caber dentro del espacio confinado. La simetría radial también ayuda a distribuir uniformemente la tensión y las fuerzas internas. Las celdas cilíndricas vienen en varios diámetros y alturas para adaptarse a diferentes capacidades.

Cómo se construyen las células cilíndricas

celda cilíndrica fabricación comienza recubriendo las láminas del cátodo y del ánodo con láminas metálicas delgadas, generalmente cobre para el ánodo y aluminio para el cátodo. Estas láminas recubiertas luego se enrollan firmemente con una membrana separadora para crear el conjunto de electrodos en rollo de gelatina. Ocasionalmente, las láminas de electrodos se apilan y doblan en lugar de enrollarse.

El rollo de gelatina se introduce en el recipiente cilíndrico de acero o aluminio, que sirve como carcasa exterior. Una tapa y una junta sellan la lata. Finalmente, se inyecta electrolito en la celda para permitir el flujo de iones entre el ánodo y el cátodo. La lata cilíndrica proporciona estructura y protege los electrodos.

Las máquinas bobinadoras automatizadas garantizan un ajuste y una alineación constantes de los rollos de gelatina durante la producción de gran volumen. El bobinado preciso es fundamental para minimizar la resistencia eléctrica y maximizar el rendimiento.

Tamaños y químicas de celdas cilíndricas comunes

Algunos de los tamaños de baterías cilíndricas de iones de litio más utilizados son 18650, 26650, 21700 y 20700 celdas. El tamaño 18650 se utiliza habitualmente en baterías de portátiles, herramientas eléctricas y otros dispositivos de consumo. Los formatos más grandes, como 21700 y 26650, están ganando popularidad en bicicletas eléctricas, scooters y vehículos eléctricos.

Las celdas cilíndricas han utilizado tradicionalmente óxido de litio y cobalto (LiCoO2) y óxido de litio y manganeso (LiMn2O4) como materiales catódicos. Ahora, las sustancias químicas ricas en níquel, como el óxido de níquel, cobalto y aluminio (NCA) y el óxido de níquel, manganeso y cobalto (NMC), también son comunes en las celdas cilíndricas de alto rendimiento.

Diferencias clave entre celdas prismáticas y cilíndricas

Tamaño y forma

• Las células prismáticas suelen ser de mayor tamaño. Los tamaños prismáticos comunes varían desde 103450 (103 x 45 mm) hasta 530450 (530 x 450 mm) o más.
• Los tamaños de celdas cilíndricas comunes incluyen 18650 (18 x 65 mm), 26650 (26 x 65 mm) y 21700 (21 x 70 mm). Las celdas cilíndricas tienen un máximo de 46 x 150 mm.
• Las celdas prismáticas tienen una densidad de energía volumétrica de alrededor de 600-700 Wh/L en comparación con los 500-600 Wh/L de las celdas cilíndricas.

Potencia y densidad de energía

• Las células cilíndricas alcanzan una mayor densidad de energía gravimétrica de 260 Wh/kg en comparación con los alrededor de 200 Wh/kg de las células prismáticas.
• La densidad de potencia de las celdas cilíndricas de calidad alcanza hasta 1500 W/kg frente a 1000-1200 W/kg de las prismáticas.

Fabricación y costos

• Las máquinas bobinadoras de celdas cilíndricas pueden producir más de 300.000 celdas por día con menores costos de mano de obra.
• La fabricación de células prismáticas a gran escala tiene pasos de apilamiento, prensado y soldadura más complejos. La producción es de unas 50.000 células al día.
• Como resultado, las celdas cilíndricas tienen actualmente un costo por kWh entre un 15 y un 20% menor en comparación con las celdas prismáticas.

Rendimiento y vida útil

• Las células prismáticas suelen durar más de 5.000 ciclos de carga/descarga antes de degradarse un 20%.
• Las células cilíndricas suelen alcanzar entre 2000 y 3000 ciclos antes de una degradación del 20% debido a una mayor hinchazón.
• Las celdas prismáticas tienen entre un 5% y un 10% más de resistencia, lo que reduce ligeramente la capacidad de energía.

Aquí está la sección sobre cuándo usar celdas prismáticas o cilíndricas:

Cuándo utilizar celdas prismáticas versus cilíndricas

Aplicaciones más adecuadas para células prismáticas

• Paquetes de baterías para vehículos eléctricos
• Grandes sistemas de almacenamiento de energía.
• Aplicaciones que requieren alta densidad de energía

Las celdas prismáticas son muy adecuadas para estas aplicaciones porque su forma y construcción permiten paquetes de baterías eficientes de alta capacidad. La forma del prisma rectangular se apila y empaqueta mejor que las celdas cilíndricas.

Las celdas prismáticas también tienen ventajas como una mejor capacidad de gestión térmica y rigidez estructural para evitar la hinchazón.

Aplicaciones más adecuadas para celdas cilíndricas

• Electrónica de consumo
• herramientas eléctricas
• Aplicaciones que requieren celdas de menor costo

Las celdas cilíndricas funcionan bien para estas aplicaciones porque su fabricación en grandes volúmenes es económica. La forma cilíndrica también proporciona una buena densidad de potencia y una capacidad de carga rápida, lo cual es importante para dispositivos como herramientas eléctricas. Su factor de forma más pequeño encaja bien en dispositivos electrónicos portátiles.

Tendencias recientes y perspectivas futuras

• Cambio hacia celdas prismáticas para paquetes de baterías de vehículos eléctricos y grandes sistemas de almacenamiento de energía. Los fabricantes están adoptando cada vez más células prismáticas por sus ventajas de embalaje y rendimiento.
• Las celdas cilíndricas siguen siendo las preferidas para muchos productos electrónicos y herramientas de consumo debido a su menor costo. Pero algunos dispositivos premium también están cambiando a celdas prismáticas.
• Si los costos de fabricación de las células prismáticas continúan disminuyendo, podrían adquirir una mayor participación de mercado en todas las aplicaciones en el futuro. Pero las celdas cilíndricas probablemente mantendrán su dominio en aplicaciones sensibles a los costos.

Los pros y los contras de las celdas de batería prismáticas frente a las cilíndricas

Al seleccionar entre celdas de iones de litio prismáticas y cilíndricas, hay que considerar ventajas y desventajas en función de los requisitos de la aplicación. Las celdas prismáticas proporcionan una excelente densidad de energía gracias a su forma y carcasa rígida, lo que las hace ideales para paquetes de baterías que necesitan maximizar su capacidad. Sin embargo, las celdas cilíndricas ofrecen una potencia máxima más alta y un costo más bajo, a expensas de la densidad a nivel del paquete y los problemas de hinchazón.

Para dispositivos de consumo de bajo consumo donde el costo es crítico, las celdas cilíndricas siguen siendo la opción dominante. Pero las aplicaciones que exigen las mayores densidades de energía, como los vehículos eléctricos, están cambiando a formatos prismáticos a pesar de su mayor costo. Con mejoras continuas en la fabricación y las densidades, las celdas prismáticas probablemente ganarán un atractivo más amplio en más aplicaciones en el futuro. Pero la facilidad de producción significa que las celdas cilíndricas también llegaron para quedarse, especialmente para usos sensibles a los costos.

Al sopesar cuidadosamente estos pros y contras, los ingenieros de baterías pueden seleccionar el tipo de celda óptimo para cumplir con sus requisitos de rendimiento, vida útil y costo.

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