重要なポイント:
- 角柱型セルと円筒型セル: 角形セルは体積エネルギー密度が高く、大型バッテリーパックに適しています。一方、円筒形セルは重量エネルギー密度が高く、製造コストが低くなります。
- 理想的な使用例: 角形セルは電気自動車のバッテリーパックや大型エネルギー貯蔵システムに優れており、円筒形セルは家庭用電化製品や電動工具に好まれています。
- 傾向と展望: EVやエネルギー貯蔵システム向けの角形セルへの移行は明らかですが、コスト重視の用途では依然として円筒形セルが主流です。
最も一般的なのは角柱と円筒の 2 つです リチウムイオン電池 現在使用されているセルの形状。どちらもさまざまな用途に応じて明確な長所と短所がありますが、角形セルはその効率的なパッキング能力と大型用途への適性により人気が高まっています。 バッテリーパック。この記事では、角柱型セルと円筒型セルを徹底的に比較し、サイズ、パフォーマンス、コスト、理想的な使用例における主な違いを分析します。
角形電池セルとは何ですか?
角柱状セルの定義と説明
角形バッテリーセルは、名前が示すように、角柱の形をしています。 – 長方形の箱のような形状をしています。用語 “プリズム状” 幾何学的なプリズム形状を指します。
角形セルは、アノード、カソード、およびセパレータ層の平らな表面積を最大化し、効率的に積層できるようにします。
角柱状セルの構造
角形電池は、カソード、アノード、セパレータ材料の層を交互に積み重ねて、長方形のアルミニウムまたはスチール缶に入れることによって構築されます。電極層はタブを介して接続されており、電流が流れることができます。
イオン輸送のための電解質も含まれています。ハードケースはセルの形状を維持し、構造的な完全性を提供します。
一般的な角柱セルのサイズと化学的性質
一般的な角形リチウムイオン電池のサイズには、103450 (103mm x 45mm)、14650 (146mm x 50mm)、および 22700 や 32113 などのより大きな形式があります。円筒形の 18650 セルとは異なり、これらのサイズは角柱形状専用です。
多くの場合、角形セルはモジュールに束ねられ、効率的に梱包されて、電気自動車、エネルギー貯蔵システム、および大容量を必要とするその他の用途向けの大型バッテリー パックを形成します。
リン酸鉄リチウム (LiFePO4) と酸化ニッケルマンガンコバルト (NMC) は、角形電池で使用される 2 つの一般的な陰極化学物質です。プリズム形式により、カソードの配合とセルの寸法に柔軟性が与えられ、性能が最適化されます。
円筒形電池セルとは何ですか?
円筒セルの定義と説明
円筒形バッテリーセルは、その名前が示すように、チューブや缶に似た長い円筒形をしています。正極シートと負極シートはロール状に巻かれるか、巻き取られます。 “ゼリーロール” そして、通常はスチールまたはアルミニウムで作られた円筒形の金属缶の中に入れられます。これにより、セル内にカソード、アノード、セパレータ材料の交互の螺旋スタックが形成されます。
円筒形のデザインにより、限られたスペース内に収まる電極シートの面積が最大化されます。放射状の対称性は、応力と内部力を均等に分散するのにも役立ちます。円筒形セルには、さまざまな容量に対応するためにさまざまな直径と高さが用意されています。
円筒形セルの構造
円筒形セル 製造業 薄い金属箔上にカソードとアノードのシートをコーティングすることから始まります。通常、アノードには銅、カソードにはアルミニウムが使用されます。次に、これらのコーティングされたシートをセパレータ膜でしっかりと巻き付けて、ゼリーロール電極アセンブリを作成します。場合によっては、電極シートを巻くのではなく、積み重ねて折り畳むこともあります。
外装ケースとなる円筒形のスチール缶やアルミ缶にゼリーロールを挿入します。キャップとガスケットが缶を密封します。最後に、電解液がセルに注入され、アノードとカソードの間でイオンが流れるようになります。円筒形の缶は構造を提供し、電極を保護します。
自動巻線機は、大量生産中にゼリー ロールの一貫した気密性と位置合わせを保証します。電気抵抗を最小限に抑え、性能を最大限に高めるには、正確な巻線が重要です。
一般的な円筒セルのサイズと化学的性質
最も広く使用されている円筒形リチウムイオン電池のサイズには、次のようなものがあります。 18650、26650、21700、および20700セル。 18650 サイズは、ラップトップのバッテリー、電動工具、その他の消費者向けデバイスで一般的に使用されています。 21700 や 26650 などの大型フォーマットは、電動自転車、スクーター、EV での人気が高まっています。
円筒型電池は従来、正極材料としてコバルト酸リチウム (LiCoO2) と酸化マンガンリチウム (LiMn2O4) を利用してきました。現在では、ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物 (NCA) やニッケル・マンガン・コバルト酸化物 (NMC) などのニッケルを豊富に含む化学物質も、高性能円筒型電池で一般的です。
角柱型セルと円筒型セルの主な違い
サイズと形状
- 角柱状セルは通常、サイズが大きくなります。一般的なプリズム サイズの範囲は、103450 (103 x 45 mm) から 530450 (530 x 450 mm) 以上です。
- 一般的な円筒セルのサイズには、18650 (18 x 65 mm)、26650 (26 x 65 mm)、および 21700 (21 x 70 mm) があります。円筒形セルの最大サイズは約 46 x 150 mm です。
- 角形電池の体積エネルギー密度は、円筒形電池の 500 ～ 600 Wh/L と比較して、約 600 ～ 700 Wh/L です。
電力とエネルギー密度
- 円筒形電池は、角形電池の約 200 Wh/kg と比較して、260 Wh/kg というより高い重量エネルギー密度を達成します。
- 高品質の円筒型セルの電力密度は最大 1500 W/kg に達しますが、角柱型セルの場合は 1000 ～ 1200 W/kg です。
製造とコスト
- 円筒型セル巻取機は、より低い人件費で 1 日あたり 300,000 個を超えるセルを生産できます。
- 大規模な角形セルの製造には、より複雑な積層、プレス、溶接のステップが必要です。生産量は 1 日あたり約 50,000 セルです。
- その結果、現在、円筒形電池は角形電池と比較して、kWh あたりのコストが 15 ～ 20% 低くなります。
性能と寿命
- 角形電池は、多くの場合、20% 劣化するまで 5,000 回以上の充電/放電サイクルに耐えます。
- 円筒形セルは通常、膨潤が大きくなるため 20% 分解するまでに 2,000 ～ 3,000 サイクルに達します。
- 角形セルの抵抗は 5 ～ 10% 高く、電力容量がわずかに低下します。
ここでは、角型セルと円筒型セルをいつ使用するかについてのセクションを示します。
角形セルと円筒形セルを使用する場合
角形セルに適したアプリケーション
- 電気自動車のバッテリーパック
- 大規模エネルギー貯蔵システム
- 高いエネルギー密度が必要な用途
角形セルは、その形状と構造により効率的な大容量バッテリ パックが可能となるため、これらの用途に最適です。直方体形状は、円筒形セルよりも積み重ねて梱包しやすくなります。
角形セルには、優れた熱管理能力や膨張を防ぐ構造的剛性などの利点もあります。
円筒形セルに適したアプリケーション
- 家電
- 電動工具
- 低コストのセルを必要とするアプリケーション
円筒型セルは大量生産が安価であるため、これらの用途に適しています。円筒形は、電動工具などのデバイスにとって重要な、優れた電力密度と高速充電機能も提供します。小型のフォームファクタはハンドヘルド電子機器によく適合します。
最近の動向と今後の展望
- 電気自動車のバッテリーパックや大型エネルギー貯蔵システム用の角形セルへの移行。製造業者は、パッケージングと性能上の利点を理由に、角形セルを採用することが増えています。
- 円筒形セルは、コストが低いため、多くの家庭用電化製品や工具に依然として好まれています。しかし、一部の高級デバイスも角形セルに移行しつつあります。
- 角形電池の製造コストが低下し続ければ、将来的にはあらゆる用途でさらに多くの市場シェアを獲得する可能性があります。しかし、コスト重視の用途では円筒型セルが優位性を維持する可能性が高い。
角形電池セルと円筒形電池セルの長所と短所
| プリズム状 | 円筒形 | |
| 長所 | 高い体積エネルギー密度 長いサイクル寿命 | 高い重量エネルギー密度 高い電力密度 製造コストが低い |
| 短所 | わずかに低い電力密度 KWh あたりのコストが高い | 体積エネルギー密度が低い サイクル寿命が短い |
角柱型リチウムイオン電池と円筒型リチウムイオン電池のどちらを選択する場合、アプリケーション要件に基づいて考慮すべきトレードオフがあります。角形セルは、その形状と剛性の高いケーシングにより優れたエネルギー密度を提供し、容量を最大化する必要があるバッテリー パックに最適です。ただし、円筒形セルは、パックレベルの密度と膨張の問題を犠牲にして、より高いピーク電力とより低いコストを実現します。
コストが重要な低電力消費者向けデバイスでは、依然として円筒型セルが有力な選択肢です。しかし、EVのような最高のエネルギー密度を要求するアプリケーションは、コストが高いにもかかわらず、プリズム形式に移行しつつあります。製造と密度の継続的な改善により、角形セルは将来、より多くの用途でより広範な魅力を獲得する可能性があります。しかし、製造が容易であるということは、特にコスト重視の用途では、円筒形セルも同様に存続することを意味します。
バッテリーエンジニアは、これらの長所と短所を慎重に比較検討することで、性能、寿命、コスト要件を満たす最適なセルタイプを選択できます。
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