Belangrijkste leerpunten:
- Prismatische versus cilindrische cellen: Prismatische cellen bieden een hogere volumetrische energiedichtheid en zijn geschikt voor grote batterijpakketten, terwijl cilindrische cellen een hogere gravimetrische energiedichtheid en lagere productiekosten bieden.
- Ideale gebruiksscenario's: Prismatische cellen blinken uit in accupakketten voor elektrische voertuigen en grote energieopslagsystemen, terwijl cilindrische cellen de voorkeur hebben voor consumentenelektronica en elektrisch gereedschap.
- Trends en vooruitzichten: De verschuiving naar prismatische cellen voor elektrische voertuigen en energieopslagsystemen is duidelijk, maar cilindrische cellen blijven dominant in kostengevoelige toepassingen.
Prismatisch en cilindrisch zijn de twee meest voorkomende lithium ion batterij celvormen die vandaag de dag worden gebruikt. Hoewel beide duidelijke voor- en nadelen hebben voor verschillende toepassingen, winnen prismatische cellen aan populariteit vanwege hun efficiënte pakvermogen en geschiktheid voor grote toepassingen. batterijpakketten. In dit artikel worden prismatische en cilindrische cellen diepgaand vergeleken, waarbij de belangrijkste verschillen in grootte, prestaties, kosten en ideale gebruiksscenario's worden geanalyseerd.
Wat zijn prismatische batterijcellen?
Definitie en beschrijving van prismatische cellen
Prismatische batterijcellen zijn, zoals de naam al doet vermoeden, prismatisch van vorm – ze hebben een rechthoekige, doosachtige vormfactor. De termijn “prismatisch” verwijst naar een geometrische prismavorm.
Prismatische cellen maximaliseren de vlakke oppervlakken van de anode-, kathode- en separatorlagen, waardoor ze efficiënt kunnen worden gestapeld.
Hoe prismatische cellen worden geconstrueerd
Prismatische cellen worden geconstrueerd door afwisselende lagen kathode-, anode- en separatormateriaal op elkaar te stapelen en deze vervolgens in een rechthoekig aluminium of stalen blik te omhullen. De elektrodelagen zijn via lipjes met elkaar verbonden, waardoor er stroom kan vloeien.
Het bevat ook elektrolyt voor ionentransport. De harde behuizing helpt de vorm van de cel te behouden en zorgt voor structurele integriteit.
Gemeenschappelijke prismatische celgroottes en chemie
Veel voorkomende prismatische lithium-ionbatterijformaten zijn de 103450 (103 mm x 45 mm), 14650 (146 mm x 50 mm) en grotere formaten zoals de 22700 en 32113. In tegenstelling tot de cilindrische 18650-cel zijn deze formaten specifiek voor prismatische geometrieën.
Prismatische cellen worden vaak in modules gebundeld en efficiënt verpakt om grote batterijpakketten te vormen voor elektrische voertuigen, energieopslagsystemen en andere toepassingen die een hoge capaciteit vereisen.
Lithiumijzerfosfaat (LiFePO4) en nikkelmangaankobaltoxide (NMC) zijn twee populaire kathodechemieën die in prismatische cellen worden gebruikt. Het prismatische formaat maakt flexibiliteit in de kathodeformulering en celafmetingen mogelijk om de prestaties te optimaliseren.
Wat zijn cilindrische batterijcellen?
Definitie en beschrijving van cilindrische cellen
Cilindrische batterijcellen hebben, zoals de naam al aangeeft, een lange cilindervorm die lijkt op een buis of blik. De positieve en negatieve elektrodeplaten worden opgerold of opgewonden tot een “gelei rol” en geplaatst in een cilindrisch metalen blik, meestal gemaakt van staal of aluminium. Hierdoor ontstaat er een afwisselende spiraalvormige stapel kathode-, anode- en separatormateriaal in de cel.
Het cilindrische ontwerp maximaliseert het oppervlak van de elektrodeplaten dat in de beperkte ruimte past. De radiale symmetrie helpt ook om spanningen en interne krachten gelijkmatig te verdelen. Cilindrische cellen zijn verkrijgbaar in verschillende diameters en hoogtes voor verschillende capaciteiten.
Hoe cilindrische cellen worden geconstrueerd
Cilindrische cel productie begint met het coaten van de kathode- en anodeplaten op dunne metaalfolies, meestal koper voor anode en aluminium voor kathode. Deze gecoate vellen worden vervolgens strak opgewikkeld met een scheidingsmembraan om het jellyroll-elektrodesamenstel te creëren. Af en toe worden de elektrodevellen gestapeld en gevouwen in plaats van opgewikkeld.
De jelly roll wordt in het cilindrische stalen of aluminium blik gestoken, dat als externe behuizing dient. Een dop en pakking sluiten het blik af. Ten slotte wordt elektrolyt in de cel geïnjecteerd om ionenstroom tussen de anode en kathode mogelijk te maken. De cilindrische bus zorgt voor structuur en beschermt de elektroden.
Geautomatiseerde wikkelmachines zorgen voor een consistente strakheid en uitlijning van de geleirollen tijdens de productie van grote volumes. Nauwkeurig wikkelen is van cruciaal belang om de elektrische weerstand te minimaliseren en de prestaties te maximaliseren.
Gemeenschappelijke cilindrische celgroottes en chemie
Enkele van de meest gebruikte cilindrische lithium-ionbatterijen zijn dat wel 18650, 26650, 21700 en 20700 cellen. Het formaat 18650 wordt vaak gebruikt in laptopbatterijen, elektrisch gereedschap en andere consumentenapparaten. Grotere formaten zoals 21700 en 26650 worden steeds populairder voor e-bikes, scooters en elektrische voertuigen.
Cilindrische cellen maken traditioneel gebruik van lithiumkobaltoxide (LiCoO2) en lithiummangaanoxide (LiMn2O4) als kathodematerialen. Nu zijn nikkelrijke chemicaliën zoals nikkel-kobalt-aluminiumoxide (NCA) en nikkel-mangaan-kobaltoxide (NMC) ook gebruikelijk in hoogwaardige cilindrische cellen.
Belangrijkste verschillen tussen prismatische en cilindrische cellen
Grootte en vorm
- Prismatische cellen zijn doorgaans groter van formaat. Gangbare prismatische afmetingen variëren van 103450 (103 x 45 mm) tot 530450 (530 x 450 mm) of groter.
- Gangbare cilindrische celgroottes zijn 18650 (18 x 65 mm), 26650 (26 x 65 mm) en 21700 (21 x 70 mm). Cilindrische cellen zijn maximaal ongeveer 46 x 150 mm groot.
- Prismatische cellen hebben een volumetrische energiedichtheid van ongeveer 600-700 Wh/L, vergeleken met 500-600 Wh/L voor cilindrische cellen.
Vermogen en energiedichtheid
- Cilindrische cellen bereiken een hogere gravimetrische energiedichtheid van 260 Wh/kg vergeleken met ongeveer 200 Wh/kg voor prismatische cellen.
- De vermogensdichtheid voor hoogwaardige cilindrische cellen kan oplopen tot 1500 W/kg, tegenover 1000-1200 W/kg voor prismatische cellen.
Productie en kosten
- Cilindrische celwikkelmachines kunnen meer dan 300.000 cellen per dag produceren tegen lagere arbeidskosten.
- Grootschalige prismatische celfabricage kent complexere stapel-, pers- en lasstappen. De productie bedraagt ongeveer 50.000 cellen per dag.
- Als gevolg hiervan hebben cilindrische cellen momenteel 15-20% lagere kosten per kWh vergeleken met prismatische cellen.
Prestaties en levensduur
- Prismatische cellen gaan vaak meer dan 5.000 laad-/ontlaadcycli mee voordat ze 20% verslechteren.
- Cilindrische cellen bereiken doorgaans 2.000-3.000 cycli voordat 20% afbraak plaatsvindt als gevolg van hogere zwelling.
- Prismatische cellen hebben een 5-10% hogere weerstand, waardoor het vermogen iets lager is.
Hier is het gedeelte over wanneer prismatische versus cilindrische cellen moeten worden gebruikt:
Wanneer prismatische versus cilindrische cellen gebruiken?
Toepassingen beter geschikt voor prismatische cellen
- Accupakketten voor elektrische voertuigen
- Grote energieopslagsystemen
- Toepassingen die een hoge energiedichtheid vereisen
Prismatische cellen zijn zeer geschikt voor deze toepassingen omdat hun vorm en constructie efficiënte batterijpakketten met hoge capaciteit mogelijk maken. De rechthoekige prismavorm is beter te stapelen en te verpakken dan cilindrische cellen.
Prismatische cellen hebben ook voordelen zoals een beter thermisch beheersvermogen en structurele stijfheid om zwelling te voorkomen.
Toepassingen beter geschikt voor cilindrische cellen
- Consumentenelektronica
- Elektrisch gereedschap
- Toepassingen die goedkopere cellen vereisen
Cilindrische cellen werken goed voor deze toepassingen omdat ze goedkoop te vervaardigen zijn in grote volumes. De cilindrische vorm zorgt ook voor een goede vermogensdichtheid en snel opladen, wat belangrijk is voor apparaten zoals elektrisch gereedschap. Hun kleinere vormfactor past goed in draagbare elektronica.
Recente trends en toekomstperspectieven
- Verschuiving naar prismatische cellen voor accupakketten van elektrische voertuigen en grote energieopslagsystemen. Fabrikanten maken steeds vaker gebruik van prismatische cellen vanwege de verpakkings- en prestatievoordelen.
- Cilindrische cellen hebben nog steeds de voorkeur voor veel consumentenelektronica en gereedschappen vanwege hun lagere kosten. Maar sommige premium-apparaten verschuiven ook naar prismatische cellen.
- Als de productiekosten van prismatische cellen blijven dalen, kunnen ze in de toekomst voor alle toepassingen een groter marktaandeel veroveren. Maar cilindrische cellen zullen waarschijnlijk de dominantie behouden in kostengevoelige toepassingen.
De voor- en nadelen van prismatische versus cilindrische batterijcellen
| Prismatisch | Cilindrisch | |
| Pluspunten | Hoge volumetrische energiedichtheid Lange levensduur | Hoge gravimetrische energiedichtheid Hoge vermogensdichtheid Lage productiekosten |
| Nadelen | Iets lagere vermogensdichtheid Hogere $/kWh-kosten | Lagere volumetrische energiedichtheid Kortere levensduur van de cyclus |
Bij het kiezen tussen prismatische en cilindrische lithium-ioncellen moeten er afwegingen worden gemaakt op basis van de toepassingsvereisten. Prismatische cellen bieden een uitstekende energiedichtheid dankzij hun vorm en stijve behuizing, waardoor ze ideaal zijn voor batterijpakketten die de capaciteit moeten maximaliseren. Cilindrische cellen leveren echter een hoger piekvermogen en lagere kosten, wat ten koste gaat van problemen op het gebied van dichtheid en zwelling.
Voor consumentenapparaten met een laag vermogen waarbij de kosten van cruciaal belang zijn, blijven cilindrische cellen de dominante keuze. Maar toepassingen die de hoogste energiedichtheden vereisen, zoals EV's, verschuiven naar prismatische formaten, ondanks hun hogere kosten. Met voortdurende verbeteringen in de productie en de dichtheid zullen prismatische cellen in de toekomst waarschijnlijk een bredere aantrekkingskracht krijgen voor meer toepassingen. Maar het productiegemak betekent dat cilindrische cellen ook een blijvende toekomst zullen hebben, vooral voor kostengevoelige toepassingen.
Door deze voor- en nadelen zorgvuldig af te wegen, kunnen batterij-ingenieurs het optimale celtype selecteren om aan hun prestatie-, levensduur- en kostenvereisten te voldoen.
Gerelateerde artikelen:
