Ogniwa pryzmatyczne i cylindryczne: jaka jest różnica?

Kluczowe wnioski:

• Komórki pryzmatyczne a cylindryczne: Ogniwa pryzmatyczne oferują wyższą wolumetryczną gęstość energii i nadają się do dużych akumulatorów, natomiast ogniwa cylindryczne zapewniają wyższą grawimetryczną gęstość energii i niższe koszty produkcji.
• Idealne przypadki użycia: Ogniwa pryzmatyczne doskonale sprawdzają się w zestawach akumulatorów pojazdów elektrycznych i dużych systemach magazynowania energii, natomiast ogniwa cylindryczne są preferowane w elektronice użytkowej i elektronarzędziach.
• Trendy i perspektywy: Przejście w kierunku ogniw pryzmatycznych do pojazdów elektrycznych i systemów magazynowania energii jest oczywiste, ale ogniwa cylindryczne nadal dominują w zastosowaniach wrażliwych na koszty.

Najpopularniejsze są pryzmatyczne i cylindryczne akumulator litowo-jonowy kształty komórek stosowane obecnie. Chociaż oba mają wyraźne zalety i wady w różnych zastosowaniach, ogniwa pryzmatyczne zyskują na popularności ze względu na ich efektywne możliwości pakowania i przydatność do dużych pakiety akumulatorów. W tym artykule szczegółowo porównano ogniwa pryzmatyczne i cylindryczne, analizując kluczowe różnice w rozmiarze, wydajności, kosztach i idealnych przypadkach użycia.

Czym są pryzmatyczne ogniwa akumulatorowe?

Definicja i opis ogniw pryzmatycznych

Pryzmatyczne ogniwa akumulatorowe, jak sama nazwa wskazuje, mają kształt pryzmatyczny – mają prostokątną obudowę przypominającą pudełko. Termin “pryzmatyczny” nawiązuje do geometrycznego kształtu pryzmatu.

Ogniwa pryzmatyczne maksymalizują płaską powierzchnię warstw anody, katody i separatora, umożliwiając ich efektywne układanie w stosy.

Jak zbudowane są ogniwa pryzmatyczne

Ogniwa pryzmatyczne są konstruowane poprzez ułożenie naprzemiennych warstw materiału katody, anody i separatora, a następnie zamknięcie ich w prostokątnej puszce aluminiowej lub stalowej. Warstwy elektrod są połączone za pomocą zakładek, umożliwiając przepływ prądu.

Zawiera także elektrolit do transportu jonów. Twarda osłonka pomaga zachować kształt ogniwa i zapewnia integralność strukturalną.

Typowe rozmiary i skład chemiczny komórek pryzmatycznych

Typowe rozmiary pryzmatycznych akumulatorów litowo-jonowych obejmują 103450 (103 mm x 45 mm), 14650 (146 mm x 50 mm) i większe formaty, takie jak 22700 i 32113. W przeciwieństwie do cylindrycznych ogniw 18650, te rozmiary są przeznaczone specjalnie do geometrii pryzmatycznej.

Ogniwa pryzmatyczne są często łączone w moduły i wydajnie pakowane, tworząc duże zestawy akumulatorów do pojazdów elektrycznych, systemów magazynowania energii i innych zastosowań wymagających dużej pojemności.

Fosforan litowo-żelazowy (LiFePO4) i tlenek niklowo-manganowo-kobaltowy (NMC) to dwie popularne substancje chemiczne katod stosowane w ogniwach pryzmatycznych. Format pryzmatyczny pozwala na elastyczność w składzie katody i wymiarach ogniwa, aby zoptymalizować wydajność.

Czym są cylindryczne ogniwa akumulatorowe?

Definicja i opis ogniw cylindrycznych

Cylindryczne ogniwa akumulatorowe, jak sama nazwa wskazuje, mają długi kształt cylindra przypominający rurkę lub puszkę. Arkusze elektrody dodatniej i ujemnej są zwijane lub zwijane w tzw “bułka z galaretką” i umieszcza się w cylindrycznej metalowej puszce, zwykle wykonanej ze stali lub aluminium. Tworzy to naprzemienny spiralny stos katody, anody i materiału separatora w ogniwie.

Cylindryczna konstrukcja maksymalizuje powierzchnię arkuszy elektrod, która mieści się w ograniczonej przestrzeni. Symetria promieniowa pomaga również równomiernie rozłożyć naprężenia i siły wewnętrzne. Ogniwa cylindryczne są dostępne w różnych średnicach i wysokościach, aby dostosować się do różnych wydajności.

Jak zbudowane są ogniwa cylindryczne

Komórka cylindryczna produkcja rozpoczyna się od pokrycia katody i arkuszy anod cienkimi foliami metalowymi, zwykle miedzią w przypadku anody i aluminium w przypadku katody. Te powlekane arkusze są następnie szczelnie nawijane za pomocą membrany oddzielającej, aby utworzyć zespół elektrody w formie galaretowatej rolki. Czasami arkusze elektrod są układane w stosy i składane, a nie zwijane.

Roladę z galaretką umieszcza się w cylindrycznej puszce stalowej lub aluminiowej, która służy jako obudowa zewnętrzna. Zakrętka i uszczelka uszczelniają puszkę. Na koniec do ogniwa wtryskiwany jest elektrolit, który umożliwia przepływ jonów pomiędzy anodą i katodą. Cylindryczna puszka zapewnia strukturę i chroni elektrody.

Zautomatyzowane maszyny do nawijania zapewniają stałą szczelność i wyrównanie galaretek podczas produkcji na dużą skalę. Precyzyjne uzwojenie ma kluczowe znaczenie dla zminimalizowania oporu elektrycznego i maksymalizacji wydajności.

Typowe cylindryczne rozmiary i skład chemiczny komórek

Niektóre z najczęściej używanych cylindrycznych akumulatorów litowo-jonowych to: 18650, 26650, 21700 i 20700 komórek. Rozmiar 18650 jest powszechnie stosowany w bateriach do laptopów, elektronarzędziach i innych urządzeniach konsumenckich. Większe formaty, takie jak 21700 i 26650, cieszą się coraz większą popularnością w rowerach elektrycznych, hulajnogach i pojazdach elektrycznych.

W ogniwach cylindrycznych tradycyjnie jako materiały katodowe stosowano tlenek litu, kobaltu (LiCoO2) i tlenek litu i manganu (LiMn2O4). Obecnie związki chemiczne bogate w nikiel, takie jak tlenek niklu, kobaltu i glinu (NCA) i tlenek niklu, manganu i kobaltu (NMC), są również powszechne w wysokowydajnych ogniwach cylindrycznych.

Kluczowe różnice między komórkami pryzmatycznymi i cylindrycznymi

Rozmiar i kształt

• Ogniwa pryzmatyczne są zazwyczaj większe. Typowe rozmiary pryzmatyczne wahają się od 103450 (103 x 45 mm) do 530450 (530 x 450 mm) lub większe.
• Typowe rozmiary ogniw cylindrycznych obejmują 18650 (18 x 65 mm), 26650 (26 x 65 mm) i 21700 (21 x 70 mm). Komórki cylindryczne mają maksymalnie około 46 x 150 mm.
• Ogniwa pryzmatyczne mają wolumetryczną gęstość energii około 600-700 Wh/l w porównaniu do 500-600 Wh/l w przypadku ogniw cylindrycznych.

Moc i gęstość energii

• Ogniwa cylindryczne osiągają wyższą grawimetryczną gęstość energii wynoszącą 260 Wh/kg w porównaniu do około 200 Wh/kg w przypadku ogniw pryzmatycznych.
• Gęstość mocy dla wysokiej jakości ogniw cylindrycznych sięga do 1500 W/kg w porównaniu do 1000-1200 W/kg w przypadku ogniw pryzmatycznych.

Produkcja i koszty

• Maszyny do nawijania ogniw cylindrycznych mogą produkować ponad 300 000 ogniw dziennie przy niższych kosztach pracy.
• Produkcja ogniw pryzmatycznych na dużą skalę wymaga bardziej złożonych etapów układania, prasowania i spawania. Wydajność wynosi około 50 000 komórek dziennie.
• W rezultacie ogniwa cylindryczne mają obecnie o 15–20% niższy koszt kWh w porównaniu z ogniwami pryzmatycznymi.

Wydajność i żywotność

• Ogniwa pryzmatyczne często wytrzymują ponad 5000 cykli ładowania/rozładowania, zanim ulegną degradacji o 20%.
• Ogniwa cylindryczne zwykle osiągają 2000–3000 cykli przed 20% degradacją z powodu większego pęcznienia.
• Ogniwa pryzmatyczne mają o 5-10% większą rezystancję, co nieznacznie obniża moc.

Oto sekcja dotycząca tego, kiedy używać ogniw pryzmatycznych, a kiedy cylindrycznych:

Kiedy stosować ogniwa pryzmatyczne a kiedy cylindryczne

Zastosowania lepiej dostosowane do ogniw pryzmatycznych

• Zestawy akumulatorów do pojazdów elektrycznych
• Duże systemy magazynowania energii
• Zastosowania wymagające dużej gęstości energii

Ogniwa pryzmatyczne doskonale nadają się do tych zastosowań, ponieważ ich kształt i konstrukcja pozwala na tworzenie wydajnych akumulatorów o dużej pojemności. Prostokątny kształt pryzmatu układa się w stosy i pakuje lepiej niż ogniwa cylindryczne.

Ogniwa pryzmatyczne mają również zalety, takie jak lepsze zarządzanie temperaturą i sztywność strukturalna, aby zapobiec pęcznieniu.

Zastosowania lepiej dostosowane do ogniw cylindrycznych

• Elektronika użytkowa
• Elektronarzędzia
• Zastosowania wymagające tańszych ogniw

Ogniwa cylindryczne dobrze sprawdzają się w tych zastosowaniach, ponieważ są niedrogie w produkcji w dużych ilościach. Cylindryczny kształt zapewnia również dobrą gęstość mocy i możliwość szybkiego ładowania, co jest ważne w przypadku urządzeń takich jak elektronarzędzia. Ich mniejsza obudowa dobrze pasuje do podręcznej elektroniki.

Najnowsze trendy i perspektywy na przyszłość

• Przejdź na ogniwa pryzmatyczne do akumulatorów pojazdów elektrycznych i dużych systemów magazynowania energii. Producenci coraz częściej stosują ogniwa pryzmatyczne ze względu na zalety opakowania i wydajności.
• Ogniwa cylindryczne nadal są preferowane w wielu urządzeniach elektronicznych i narzędziach użytkowych ze względu na ich niższy koszt. Ale niektóre urządzenia premium również przechodzą na ogniwa pryzmatyczne.
• Jeśli koszty produkcji ogniw pryzmatycznych będą nadal spadać, w przyszłości mogą one zyskać większy udział w rynku we wszystkich zastosowaniach. Jednak ogniwa cylindryczne prawdopodobnie utrzymają dominację w zastosowaniach wrażliwych na koszty.

Plusy i minusy pryzmatycznych i cylindrycznych ogniw akumulatorowych

Wybierając między pryzmatycznymi i cylindrycznymi ogniwami litowo-jonowymi, należy wziąć pod uwagę kompromisy w zależności od wymagań aplikacji. Ogniwa pryzmatyczne zapewniają doskonałą gęstość energii dzięki swojemu kształtowi i sztywnej obudowie, co czyni je idealnymi do akumulatorów, które wymagają maksymalizacji pojemności. Jednakże ogniwa cylindryczne zapewniają wyższą moc szczytową i niższy koszt, kosztem gęstości na poziomie opakowania i problemów z pęcznieniem.

W przypadku urządzeń konsumenckich o małej mocy, gdzie koszt jest krytyczny, dominującym wyborem pozostają ogniwa cylindryczne. Jednak aplikacje wymagające najwyższych gęstości energii, takie jak pojazdy elektryczne, przechodzą na formaty pryzmatyczne pomimo ich wyższych kosztów. Dzięki ciągłemu udoskonalaniu produkcji i gęstości ogniwa pryzmatyczne prawdopodobnie zyskają w przyszłości szerszą atrakcyjność w większej liczbie zastosowań. Łatwość produkcji oznacza jednak, że ogniwa cylindryczne również pozostaną w naszej ofercie, zwłaszcza do zastosowań wrażliwych na koszty.

Dokładnie rozważając te zalety i wady, inżynierowie zajmujący się akumulatorami mogą wybrać optymalny typ ogniwa, który spełni ich wymagania dotyczące wydajności, żywotności i kosztów.

Powiązane artykuły:

• Zrozumienie sześciu typów baterii litowych: który jest najlepszy dla Twoich potrzeb?
• Baterie litowo-jonowe a baterie litowo-polimerowe: co jest lepsze?
• 7 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o baterii litowo-jonowej i litowo-żelazowo-fosforanowej
• Porównanie akumulatorów 18650 i 26650: szczegółowy przewodnik