Ключевые выводы:
- Призматические и цилиндрические ячейки: Призматические элементы обеспечивают более высокую объемную плотность энергии и подходят для больших аккумуляторных блоков, тогда как цилиндрические элементы обеспечивают более высокую весовую плотность энергии и более низкие производственные затраты.
- Идеальные варианты использования: Призматические элементы превосходно подходят для аккумуляторов электромобилей и крупных систем хранения энергии, а цилиндрические элементы предпочтительнее для бытовой электроники и электроинструментов.
- Тенденции и перспективы: Переход к призматическим элементам для электромобилей и систем хранения энергии очевиден, но цилиндрические элементы по-прежнему доминируют в экономичных приложениях.
Призматические и цилиндрические являются двумя наиболее распространенными. литий-ионный аккумулятор формы ячеек, используемые сегодня. Хотя оба имеют явные преимущества и недостатки для различных применений, призматические элементы набирают популярность благодаря своей эффективной способности упаковки и пригодности для больших объемов. аккумуляторные блоки. В этой статье подробно сравниваются призматические и цилиндрические ячейки, анализируются ключевые различия в размере, производительности, стоимости и идеальных вариантах использования.
Что такое призматические аккумуляторные элементы?
Определение и описание призматических клеток
Призматические аккумуляторные элементы, как следует из названия, имеют призматическую форму. – они имеют прямоугольную коробчатую форму. Термин “призматический” относится к форме геометрической призмы.
Призматические ячейки максимально увеличивают площадь плоской поверхности анодного, катодного и сепараторного слоев, что позволяет эффективно укладывать их друг на друга.
Как устроены призматические клетки
Призматические ячейки изготавливаются путем укладки чередующихся слоев катодного, анодного и сепараторного материала, а затем помещаются в прямоугольную алюминиевую или стальную банку. Слои электродов соединены между собой контактами, позволяющими течь току.
Он также содержит электролит для транспорта ионов. Твердый корпус помогает поддерживать форму ячейки и обеспечивает структурную целостность.
Общие размеры и химический состав призматических ячеек
Распространенные размеры призматических литий-ионных батарей включают 103450 (103 x 45 мм), 14650 (146 x 50 мм) и более крупные форматы, такие как 22700 и 32113. В отличие от цилиндрических элементов 18650, эти размеры специально предназначены для призматических геометрических форм.
Призматические элементы часто объединяются в модули и эффективно упаковываются, образуя большие аккумуляторные блоки для электромобилей, систем хранения энергии и других приложений, требующих высокой емкости.
Фосфат лития-железа (LiFePO4) и оксид никеля-марганца-кобальта (NMC) являются двумя популярными химическими катодами, используемыми в призматических элементах. Призматический формат обеспечивает гибкость в выборе конструкции катода и размеров ячейки для оптимизации производительности.
Что такое цилиндрические аккумуляторные элементы?
Определение и описание цилиндрических ячеек
Цилиндрические аккумуляторные элементы, как следует из названия, имеют форму длинного цилиндра, напоминающего трубку или банку. Листы положительных и отрицательных электродов свернуты или свернуты в рулон. “желейный рулет” и помещается внутри цилиндрической металлической банки, обычно изготовленной из стали или алюминия. Это создает чередующуюся спиральную стопку катодного, анодного и сепараторного материала внутри ячейки.
Цилиндрическая конструкция максимально увеличивает площадь электродных листов, которые могут поместиться в ограниченном пространстве. Радиальная симметрия также помогает равномерно распределять напряжения и внутренние силы. Цилиндрические ячейки бывают разного диаметра и высоты для обеспечения разной емкости.
Как устроены цилиндрические клетки
Цилиндрическая ячейка производство начинается с покрытия листов катода и анода тонкой металлической фольгой, обычно медной для анода и алюминиевой для катода. Эти листы с покрытием затем плотно наматываются сепараторной мембраной для создания желейного рулонного электродного узла. Иногда листы электродов складывают стопками и сгибают, а не наматывают.
Рулон желе вставляется в цилиндрическую стальную или алюминиевую банку, служащую внешним корпусом. Крышка и прокладка запечатывают банку. Наконец, в ячейку впрыскивается электролит, чтобы обеспечить поток ионов между анодом и катодом. Цилиндрическая банка обеспечивает структуру и защищает электроды.
Автоматизированные намоточные машины обеспечивают постоянную герметичность и выравнивание рулонов желе при крупносерийном производстве. Точная намотка имеет решающее значение для минимизации электрического сопротивления и максимизации производительности.
Распространенные размеры и химический состав цилиндрических ячеек
Некоторые из наиболее широко используемых размеров цилиндрических литий-ионных батарей: 18650, 26650, 21700 и 20700 ячеек. Размер 18650 обычно используется в аккумуляторах для ноутбуков, электроинструментах и других потребительских устройствах. Более крупные форматы, такие как 21700 и 26650, становятся все более популярными для электронных велосипедов, скутеров и электромобилей.
В цилиндрических элементах в качестве катодных материалов традиционно используются оксид лития-кобальта (LiCoO2) и оксид лития-марганца (LiMn2O4). Теперь богатые никелем химические соединения, такие как оксид никеля-кобальта-алюминия (NCA) и оксид никеля-марганца-кобальта (NMC), также распространены в высокопроизводительных цилиндрических элементах.
Ключевые различия между призматическими и цилиндрическими ячейками
Размер и форма
- Призматические клетки обычно больше по размеру. Обычные призматические размеры варьируются от 103 450 (103 x 45 мм) до 530 450 (530 x 450 мм) или больше.
- Общие размеры цилиндрических ячеек включают 18650 (18 x 65 мм), 26650 (26 x 65 мм) и 21700 (21 x 70 мм). Максимальный размер цилиндрических ячеек составляет около 46 x 150 мм.
- Призматические элементы имеют объемную плотность энергии около 600-700 Втч/л по сравнению с 500-600 Втч/л для цилиндрических элементов.
Мощность и плотность энергии
- Цилиндрические элементы достигают более высокой гравиметрической плотности энергии — 260 Втч/кг по сравнению с примерно 200 Втч/кг для призматических элементов.
- Плотность мощности у качественных цилиндрических элементов достигает 1500 Вт/кг против 1000-1200 Вт/кг у призматических.
Производство и затраты
- Машины для намотки цилиндрических ячеек могут производить более 300 000 ячеек в день с меньшими затратами на рабочую силу.
- Крупномасштабное производство призматических ячеек требует более сложных этапов укладки, прессования и сварки. Производительность составляет около 50 000 ячеек в день.
- В результате стоимость цилиндрических элементов в настоящее время на 15-20% ниже за кВтч по сравнению с призматическими элементами.
Производительность и срок службы
- Призматические элементы часто выдерживают более 5000 циклов зарядки/разрядки, прежде чем деградировать на 20%.
- Цилиндрические элементы обычно выдерживают 2000–3000 циклов, прежде чем деградируют на 20% из-за более сильного набухания.
- Призматические элементы имеют на 5-10% большее сопротивление, что немного снижает мощность.
Вот раздел о том, когда использовать призматические и цилиндрические ячейки:
Когда использовать призматические и цилиндрические ячейки
Приложения, лучше подходящие для призматических ячеек
- Аккумуляторы для электромобилей
- Большие системы хранения энергии
- Приложения, требующие высокой плотности энергии
Призматические элементы хорошо подходят для этих целей, поскольку их форма и конструкция позволяют создавать эффективные аккумуляторные блоки большой емкости. Прямоугольная форма призмы штабелируется и упаковывается лучше, чем цилиндрические ячейки.
Призматические ячейки также имеют такие преимущества, как лучшая способность к терморегулированию и структурная жесткость для предотвращения набухания.
Приложения, лучше подходящие для цилиндрических ячеек
- Бытовая электроника
- Электроинструменты
- Приложения, требующие более дешевых ячеек
Цилиндрические элементы хорошо подходят для этих целей, поскольку их недорого производить в больших объемах. Цилиндрическая форма также обеспечивает хорошую удельную мощность и возможность быстрой зарядки, что важно для таких устройств, как электроинструменты. Их меньший форм-фактор хорошо подходит для портативной электроники.
Последние тенденции и перспективы на будущее
- Переход к призматическим элементам для аккумуляторных батарей электромобилей и крупных систем хранения энергии. Производители все чаще используют призматические ячейки из-за преимуществ упаковки и производительности.
- Цилиндрические элементы по-прежнему предпочтительны для многих видов бытовой электроники и инструментов из-за их более низкой стоимости. Но некоторые устройства премиум-класса также переходят на призматические элементы.
- Если затраты на производство призматических элементов продолжат снижаться, в будущем они могут занять большую долю рынка во всех приложениях. Но цилиндрические элементы, вероятно, сохранят доминирование в чувствительных к затратам приложениях.
Плюсы и минусы призматических и цилиндрических аккумуляторных элементов
| Призматический | Цилиндрический | |
| Плюсы | Высокая объемная плотность энергии Длительный цикл жизни | Высокая гравиметрическая плотность энергии Высокая плотность мощности Низкие производственные затраты |
| Минусы | Немного меньшая удельная мощность Более высокая стоимость $/кВтч | Более низкая объемная плотность энергии Более короткий срок службы |
При выборе между призматическими и цилиндрическими литий-ионными элементами необходимо учитывать компромиссы в зависимости от требований применения. Призматические элементы обеспечивают превосходную плотность энергии благодаря своей форме и жесткому корпусу, что делает их идеальными для аккумуляторных блоков, которым необходимо максимально увеличить емкость. Однако цилиндрические элементы обеспечивают более высокую пиковую мощность и более низкую стоимость за счет плотности упаковки и проблем с набуханием.
Для маломощных потребительских устройств, где стоимость имеет решающее значение, цилиндрические элементы остаются доминирующим выбором. Но приложения, требующие высочайшей плотности энергии, такие как электромобили, переходят на призматические форматы, несмотря на их более высокую стоимость. Благодаря постоянному совершенствованию производства и плотности призматические элементы, вероятно, получат более широкое применение в будущем. Но простота производства означает, что цилиндрические элементы также никуда не денутся, особенно для экономичных применений.
Тщательно взвесив все «за» и «против», инженеры по производству аккумуляторов могут выбрать оптимальный тип элемента, отвечающий их требованиям к производительности, сроку службы и стоимости.
Статьи по Теме:
