Форм-факторы литиевых элементов

Литиевые аккумуляторные элементы доступны в различных форм-факторах(можно понимать как виды исполнения или формы/типы корпуса), но их основная внутренняя структура почти всегда одинакова. Все элементы литиевых батарей имеют положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод), материал электролита и какой-нибудь тип пористого сепаратора между ними.

Форм-факторы литиевых батарей

Отрывок из учебного пособия: «Сборка литиевых батарей».

Литиевые аккумуляторные элементы доступны в различных форм-факторах(можно понимать как виды исполнения или формы/типы корпуса), но их основная внутренняя структура почти всегда одинакова. Все элементы литиевых батарей имеют положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод), материал электролита и какой-нибудь тип пористого сепаратора между ними. Это позволяет ионам лития перемещаться между катодом и анодом. О том, как изменения в химическом составе различных литий-ионных аккумуляторов могут повлиять на них рассказывается в другой главе учебного пособия. В это материале, основное различие между форм-факторами литиевых элементов — это способ их сборки.

Пакетные элементы

LG Chem Lithium Ion Pouch

Пакеты — простейшая форма литиевых батарей. Они выглядят как пакет (или мешочек) и иметь два вывода на краю(ях). Внутри пакета катод и анод на противоположных сторонах разделены пористым сепаратором с электролитом по обе его стороны. Этот сэндвич катод-электролит-анод сложен в несколько слоёв, чтобы увеличить емкость батареи.

Стандартных размеров для ячеек-мешков не существует. Их производят разные компаний и часто по точным размерам для конкретных продуктов, чтобы гарантировать, использование максимально возможной полезной площади. Преимущество мешкообразных ячеек в том, что они легкие и дешевые в производстве. Основным же недостатком является то, что они не имеют защиты и могут быть повреждены, если их не уложить в каком-нибудь жестком корпусе. Однако отсутствие жесткого внешнего корпуса означает, что это самый легкий и компактный вариант для производства литиевого аккумулятора. Пакетные элементы часто используется в потребительских устройствах, таких как ноутбуки и мобильные телефоны, из-за их эффективного использование пространства. Эти устройства также служат корпусом для самого элемента.

Пакетные элементы на самом деле работают лучше, когда они расположены в жесткой/полужесткой конструкции, которая может оказывать небольшое давление. Это помогает держать все слои элементов в тесном контакте и предотвращает микрорасслоение, которое может ухудшить работу ячейки со временем. Когда пакетный элемент «стареет», он может начать расширяться(раздуваться) или «пухнуть», как это иногда называется в промышленности. Это часто происходит из-за небольших внутренних процессов, которые возникают со временем. По мере старения батареи образуется газ, который раздувает ячейку. Так как пакетный элемент полностью герметичен, газу некуда выходить. Ячейка становится пухлой, похожей на подушку. Раздувание ячейки приводит к снижению производительности по мере дальнейшего расслаивания внутри элемента. Некоторая степень газообразования выдерживается структурой пакета, но когда газа становится слишком много, ячейка может взорваться. Это редкое, но хорошо задокументированное явление. Разрыв высвобождает большое количество легковоспламеняющегося газа.

Призматические элементы

Prismatic Litium Ion Cell

Призматические элементы очень похожи на пакетные, за исключением того, что все содержимое упаковано в жесткий прямоугольный корпус. Это придает элементам призматическую форму. Поэтому такие ячейки менее компактны, чем пакеты, но при этом более долговечны. И если пакетную ячейку можно повредить абсолютно случайно, то чтобы повредить призматическую нужно приложить значительно больше усилий. Часто призматики используют без дополнительных корпусов, просто добавляя жесткости по широкой стороне. Со временем этот форм-фактор, также как и пакеты, имеет свойство раздуваться. Наличие корпуса всё же будет желательным для этого форм-фактора ячеек.

В отличие от пакетных ячеек с тонкими выводами/язычками контактов, призматические элементы часто имеют резьбовые клеммы, которые позволяют использовать гайку или болт для соединения. Этот облегчает соединение призматических элементов в более крупные аккумуляторные модули. Большие призматические элементы емкостью от 20 Ач до 100 Ач и часто используются в очень больших накопителях энергии(аккумуляторах). Для призматических ячеек нет стандартных размеров, но они часто бывают различной емкости с шагом 5 — 10 Ач.

Цилиндрические элементы

Cylindrical Litium Ion Cell

Цилиндрические элементы — это батареи типа АА, с которыми мы все знакомы. от пультов дистанционного управления, фонариков и другой бытовой электроники. Они бывают разных размеров (большинство из них больше, чем стандартные батарейки АА), но все имеют одинаковую цилиндрическую форму и жесткий металлический корпус. Цилиндрические ячейки получают путем скручивания того, что содержится в элементе другой формы, затем помещают его внутрь металлического цилиндра с положительной и отрицательной клеммами на обоих концах цилиндра. Эти ячейки не так эффективно используют пространство, однако являются наиболее прочными для сборки аккумуляторной литиевой батареи и не требует внешней рамы или поддержки.

В отличие от пакетных и призматических элементов, цилиндрические ячейки имеют определенные стандарты в размерах. Обозначения формируются достаточно просто, сначала указывается цифра диаметра элемента, в миллиметрах, затем длина. Наиболее распространенным цилиндрическим элементом литиевой батареи является ячейка 18650, названная в честь ее диаметра 18 мм и длины 650 мм. Эта цилиндрическая ячейка(18650), наиболее часто используемая в ноутбуках, электроинструментах, фонариках и других устройствах, требующих цилиндрические источники питания.

Есть ещё несколько популярных размеров цилиндрических ячеек:

14500 — 14 мм в диаметре и 500 мм в длину и имеет такой же размер, как стандартная батарея AA

26650 — диаметр 26 мм и длиной 650 мм.

18650, который попадает прямо в середину из трех наиболее распространенных размеров цилиндрических элементов, получил самое широкое распространение и доступен у широкого количества различных производителей.

В 2017 году компания Tesla начала производить новый формат ячеек 21700(или в народе 2170). Этот размер, является совместной разработкой с Panasonic. Ячейка 21700 немного больше, чем 18650. но имеет приличный прирост емкости почти в 2 раза. Ячейка была разработана специально для автомобилей Tesla, но получила широкое распространение и свободно продается в магазинах. Panasonic также выпускает серию цилиндрических элементов LiFePO4 доступных в размерах 38120 и 40152, который составляет 38 мм. в диаметре, 120 мм в длину и 40 мм в диаметре, 152 мм в длину, соответственно.

Tesla же в 2020 анонсировали новую совместную разработку с Panasonic — элементы размером 46800(или 4680). Очевидно что элемент будет иметь 46мм в диаметре и 800мм в длину. Первые китайские версии уже можно попробовать найти в продаже(на фото ниже, болванка распечатанная на 3Д принтере).

Конечно более крупные элементы, будут иметь гораздо более высокие емкости, чем повсеместно применяемые 18650. К тому же большие цилиндры уже могут иметь болтовое соединение для сборки. Сейчас большинство цилиндрических ячеек, для сборки в батарею, должны быть сварены точечной сваркой. Простым паяльником собрать батарею будет достаточно сложно, хотя и такие умельцы находятся. Следует просто заметить, что использования обычного паяльника не эффективно.


Источник: natoke.ru

Was this helpful?

0 / 0

Добавить комментарий 0

Ваш электронный адрес не будет опубликован. Обязательные поля помечены *