Celle della batteria prismatiche e cilindriche: qual è la differenza?

Punti chiave:

• Celle prismatiche e cilindriche: Le celle prismatiche offrono una densità di energia volumetrica più elevata e sono adatte per pacchi batteria di grandi dimensioni, mentre le celle cilindriche forniscono una densità di energia gravimetrica più elevata e costi di produzione inferiori.
• Casi d'uso ideali: Le celle prismatiche eccellono nei pacchi batteria dei veicoli elettrici e nei grandi sistemi di accumulo di energia, mentre le celle cilindriche sono preferite per l’elettronica di consumo e gli utensili elettrici.
• Tendenze e prospettive: Lo spostamento verso celle prismatiche per veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia è evidente, ma le celle cilindriche rimangono dominanti nelle applicazioni sensibili ai costi.

Prismatico e cilindrico sono i due più comuni batteria agli ioni di litio forme cellulari utilizzate oggi. Sebbene entrambe presentino vantaggi e svantaggi distinti per le diverse applicazioni, le celle prismatiche stanno guadagnando popolarità per la loro efficiente capacità di imballaggio e l'idoneità per grandi dimensioni. pacchi batteria. Questo articolo mette a confronto in modo approfondito le celle prismatiche e quelle cilindriche, analizzando le principali differenze in termini di dimensioni, prestazioni, costi e casi d'uso ideali.

Cosa sono le celle della batteria prismatiche?

Definizione e descrizione delle cellule prismatiche

Le celle della batteria prismatiche, come suggerisce il nome, hanno una forma prismatica – hanno un fattore di forma rettangolare, simile a una scatola. Il termine “prismatico” si riferisce a una forma geometrica di prisma.

Le celle prismatiche massimizzano le aree superficiali piatte degli strati di anodo, catodo e separatore, consentendo loro di essere impilati in modo efficiente.

Come sono costruite le cellule prismatiche

Le celle prismatiche sono costruite impilando strati alternati di catodo, anodo e materiale separatore, quindi racchiudendoli in un contenitore rettangolare di alluminio o acciaio. Gli strati degli elettrodi sono collegati tramite linguette, consentendo il flusso di corrente.

Contiene anche elettrolita per il trasporto degli ioni. L’involucro rigido aiuta a mantenere la forma della cella e garantisce l’integrità strutturale.

Dimensioni e chimiche comuni delle cellule prismatiche

Le dimensioni comuni delle batterie prismatiche agli ioni di litio includono 103450 (103 mm x 45 mm), 14650 (146 mm x 50 mm) e formati più grandi come 22700 e 32113. A differenza della cella cilindrica 18650, queste dimensioni sono specifiche per le geometrie prismatiche.

Le celle prismatiche sono spesso raggruppate insieme in moduli e imballate in modo efficiente per formare grandi pacchi batteria per veicoli elettrici, sistemi di accumulo di energia e altre applicazioni che richiedono elevata capacità.

Il fosfato di litio ferro (LiFePO4) e l'ossido di nichel manganese cobalto (NMC) sono due popolari composti chimici catodici utilizzati nelle celle prismatiche. Il formato prismatico consente flessibilità nella formulazione del catodo e nelle dimensioni della cella per ottimizzare le prestazioni.

Cosa sono le celle della batteria cilindrica?

Definizione e descrizione delle cellule cilindriche

Le celle della batteria cilindrica, come suggerisce il nome, hanno una forma cilindrica lunga che ricorda un tubo o una lattina. I fogli degli elettrodi positivi e negativi vengono arrotolati o avvolti in un “rotolo di gelatina” e posto all'interno di un barattolo metallico cilindrico, tipicamente in acciaio o alluminio. Ciò crea una pila a spirale alternata di catodo, anodo e materiale separatore all'interno della cella.

Il design cilindrico massimizza l'area dei fogli di elettrodi che possono adattarsi allo spazio ristretto. La simmetria radiale aiuta anche a distribuire uniformemente lo stress e le forze interne. Le celle cilindriche sono disponibili in vari diametri e altezze per adattarsi a diverse capacità.

Come sono costruite le cellule cilindriche

Cella cilindrica produzione inizia con il rivestimento dei fogli del catodo e dell'anodo su sottili lamine metalliche, solitamente rame per l'anodo e alluminio per il catodo. Questi fogli rivestiti vengono quindi avvolti strettamente con una membrana separatrice per creare il gruppo elettrodo del rotolo di gelatina. Occasionalmente, i fogli degli elettrodi vengono impilati e piegati anziché avvolti.

Il Jelly Roll viene inserito nel barattolo cilindrico di acciaio o alluminio, che funge da involucro esterno. Un tappo e una guarnizione sigillano la lattina. Infine, l'elettrolita viene iniettato nella cella per consentire il flusso di ioni tra l'anodo e il catodo. La bomboletta cilindrica fornisce struttura e protegge gli elettrodi.

Le macchine avvolgitrici automatizzate garantiscono tenuta e allineamento costanti dei rotoli di gelatina durante la produzione di volumi elevati. L'avvolgimento preciso è fondamentale per ridurre al minimo la resistenza elettrica e massimizzare le prestazioni.

Dimensioni e caratteristiche chimiche comuni delle cellule cilindriche

Alcune delle dimensioni delle batterie cilindriche agli ioni di litio più utilizzate sono 18650, 26650, 21700 e 20700 celle. La dimensione 18650 è comunemente utilizzata nelle batterie dei laptop, negli utensili elettrici e in altri dispositivi di consumo. I formati più grandi come 21700 e 26650 stanno diventando sempre più popolari per e-bike, scooter e veicoli elettrici.

Le celle cilindriche utilizzano tradizionalmente ossido di litio cobalto (LiCoO2) e ossido di litio manganese (LiMn2O4) come materiali catodici. Ora, sostanze chimiche ricche di nichel come l’ossido di nichel cobalto alluminio (NCA) e l’ossido di nichel manganese cobalto (NMC) sono comuni anche nelle celle cilindriche ad alte prestazioni.

Differenze chiave tra celle prismatiche e cilindriche

Dimensioni e forma

• Le cellule prismatiche sono generalmente di dimensioni maggiori. Le dimensioni prismatiche comuni vanno da 103450 (103 x 45 mm) fino a 530450 (530 x 450 mm) o superiori.
• Le dimensioni comuni delle celle cilindriche includono 18650 (18 x 65 mm), 26650 (26 x 65 mm) e 21700 (21 x 70 mm). Le celle cilindriche misurano al massimo circa 46 x 150 mm.
• Le celle prismatiche hanno una densità di energia volumetrica intorno a 600-700 Wh/L rispetto a 500-600 Wh/L per le celle cilindriche.

Potenza e densità di energia

• Le celle cilindriche raggiungono una densità di energia gravimetrica più elevata di 260 Wh/kg rispetto a circa 200 Wh/kg per le celle prismatiche.
• La densità di potenza per le celle cilindriche di qualità arriva fino a 1500 W/kg contro 1000-1200 W/kg per quelle prismatiche.

Produzione e costi

• Gli avvolgitori di celle cilindriche possono produrre oltre 300.000 celle al giorno con costi di manodopera inferiori.
• La fabbricazione di celle prismatiche su larga scala prevede fasi di impilamento, pressatura e saldatura più complesse. La produzione è di circa 50.000 cellule al giorno.
• Di conseguenza, le celle cilindriche attualmente hanno un costo per kWh inferiore del 15-20% rispetto alle celle prismatiche.

Prestazioni e durata

• Le celle prismatiche durano spesso oltre 5.000 cicli di carica/scarica prima di degradarsi del 20%.
• Le celle cilindriche in genere raggiungono 2.000-3.000 cicli prima di degradarsi del 20% a causa del maggiore rigonfiamento.
• Le celle prismatiche hanno una resistenza maggiore del 5-10% che riduce leggermente la capacità di potenza.

Ecco la sezione su quando utilizzare celle prismatiche o cilindriche:

Quando utilizzare celle prismatiche o cilindriche

Applicazioni più adatte per le celle prismatiche

• Pacchi batterie per veicoli elettrici
• Grandi sistemi di accumulo di energia
• Applicazioni che richiedono un'elevata densità di energia

Le celle prismatiche sono adatte per queste applicazioni perché la loro forma e costruzione consente pacchi batteria efficienti ad alta capacità. La forma del prisma rettangolare si impila e imballa meglio delle celle cilindriche.

Le celle prismatiche presentano anche vantaggi come una migliore capacità di gestione termica e rigidità strutturale per prevenire il rigonfiamento.

Applicazioni più adatte per celle cilindriche

• Elettronica di consumo
• Utensili elettrici
• Applicazioni che richiedono celle a basso costo

Le celle cilindriche funzionano bene per queste applicazioni perché sono poco costose da produrre in volumi elevati. La forma cilindrica offre inoltre una buona densità di potenza e una capacità di ricarica rapida, che è importante per dispositivi come gli utensili elettrici. Il loro fattore di forma più piccolo si adatta bene ai dispositivi elettronici portatili.

Tendenze recenti e prospettive future

• Passaggio a celle prismatiche per pacchi batterie di veicoli elettrici e grandi sistemi di accumulo di energia. I produttori adottano sempre più celle prismatiche per vantaggi in termini di imballaggio e prestazioni.
• Le celle cilindriche sono ancora preferite per molti strumenti e dispositivi elettronici di consumo a causa del loro costo inferiore. Ma anche alcuni dispositivi premium stanno passando alle celle prismatiche.
• Se i costi di produzione delle celle prismatiche continueranno a diminuire, in futuro potrebbero conquistare maggiori quote di mercato in tutte le applicazioni. Ma le celle cilindriche probabilmente manterranno il dominio nelle applicazioni sensibili ai costi.

I pro e i contro delle batterie prismatiche e cilindriche

Quando si sceglie tra celle agli ioni di litio prismatiche e cilindriche, ci sono dei compromessi da considerare in base ai requisiti dell'applicazione. Le celle prismatiche forniscono un'eccellente densità di energia grazie alla loro forma e all'involucro rigido, che le rendono ideali per i pacchi batteria che necessitano di massimizzare la capacità. Tuttavia, le celle cilindriche offrono una potenza di picco più elevata e costi inferiori, a scapito della densità a livello di pacco e dei problemi di rigonfiamento.

Per i dispositivi consumer a basso consumo in cui il costo è fondamentale, le celle cilindriche rimangono la scelta dominante. Ma le applicazioni che richiedono le più elevate densità di energia, come i veicoli elettrici, si stanno spostando verso formati prismatici nonostante i costi più elevati. Con i continui miglioramenti nella produzione e nelle densità, le celle prismatiche acquisiranno probabilmente un appeal più ampio in più applicazioni in futuro. Ma la facilità di produzione significa che anche le celle cilindriche sono destinate a restare, soprattutto per usi sensibili ai costi.

Valutando attentamente questi pro e contro, gli ingegneri delle batterie possono selezionare il tipo di cella ottimale per soddisfare i propri requisiti in termini di prestazioni, durata e costi.

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