سایناکو | تولید کننده و وارد کننده باتری و یوپیاس
S-2013 : چهار نوع مختلف سلول باتری
Types of Battery Cells
سلول باتری از مهم‌ترین اجزای تشکیل دهنده ساختار باتری است. در این مقاله انواع سلول باتری را به صورت تخصصی بررسی خواهیم کرد.
انواع سلول باتری
در ادامه انواع سلول باتری را با هم بررسی خواهیم کرد.
سلول استوانه‌ای
سلول استوانه‌ای همچنان یکی از پرکاربردترین سلول باتری بین باتری‌های اولیه و ثانویه است. مزایای آن سهولت ساخت و پایداری مکانیکی خوب است. سیلندر لوله‌ای بدون تغییر شکل در برابر فشارهای داخلی زیاد مقاومت می‌کند.
بیشتر بخوانید: تاریخچه بسته بندی باتری را مطالعه کنید.
بسیاری از سلول‌های استوانه‌ای مبتنی بر لیتیوم و نیکل دارای سوئیچ ضریب حرارتی مثبت (PTC) هستند. هنگامی که در معرض جریان بیش از حد قرار می‌گیرد، پلیمر رسانای طبیعی گرم می‌شود و مقاومت می‌کند. در نتیجه، جریان جاری را متوقف کرده و به عنوان محافظ اتصال کوتاه عمل می‌کند. پس از برطرف شدن اتصال کوتاه، PTC خنک شده و به حالت رسانایی بر می‌گردد.
اکثر سلول‌های استوانه‌ای از مکانیسم کاهش فشار نیز بهره می‌برند و در ساده‌ترین طرح، از مهر و موم غشایی استفاده می‌شود که تحت فشار زیاد پاره می‌شود. ممکن است پس از شکستن غشا، نشت و خشک شدن رخ دهد؛ اما دریچه‌های قابل درزگیری مجدد با یک واشر فنر‌دار ترجیح داده می‌شود.
برخی از سلول‌های لیتیوم یونی مصرف کننده شامل دستگاه قطع شدن شارژ (CID) هستند که هنگام فعال شدن در یک فشار غیر ایمن، سلول را از نظر جسمی و غیرقابل بازگشت قطع می‌کنند.
طراحی سلول استوانه‌ای از قابلیت چرخه خوبی برخوردار است. طول عمر زیادی دارد و از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه است. اما به دلیل حفره‌های فضایی سنگین است و دارای چگالی بسته بندی کمی است.
کاربردهای سلول استوانه‌ای
از کاربردهای معمول سلول استوانه‌ای، می‌توان به ابزارهای برقی، ابزار پزشکی، لپ‌تاپ‌ها و دوچرخه‌های الکترونیکی اشاره کرد.
به لحاظ ابعاد و اندازه، تولیدکنندگان از طول سلول‌های جزئی مانند قالب‌های نصف و سه چهارم استفاده می‌کنند و نیکل کادمیوم بیشترین تنوع در انتخاب سلول را فراهم می‌کند. بعضی از آن‌ها به نیکل فلز هیدرید است، اما به سمت لیتیوم یون نمی‌روند. زیرا شیمی این مواد قالب‌های خاص خود را ایجاد می‌کند.
بسته بندی 18650 نشان داده شده در شکل ۲ همچنان یکی از محبوب‌ترین بسته بندی سلولی است. کاربردهای معمول 18650 لیتیوم یون، ابزارهای برقی، دستگاه‌های پزشکی، لپ‌تاپ‌ها و دوچرخه‌های الکترونیکی است.
اندازه سیلندر فلزی 18 میلی متر قطر و 65 میلی‌متر طول است. سلول بزرگتر 26650 قطر آن 26 میلی‌متر است.
در سال 2013، 2.55 میلیارد سلول 18650 تولید شد. سلولها انرژی اولیهAh 2.2 داشتند که با سلول Ah 2.8 جایگزین شدند. سلول‌های جدید در حال حاضرAh 3.1 با قابلیت افزایش به Ah 3.4 تا سال 2017 هستند. تولیدکنندگان سلول در حال آماده سازی برای Ah 3.9 18650 هستند.
18650 می‌تواند بهینه‌ترین سلول باشد. این یکی از کمترین هزینه‌ها برای هر Wh است و سابقه قابلیت اطمینان خوبی دارد. هنگامی که مصرف‌کنندگان به سمت طراحی‌های مسطح در تلفن‌های هوشمند و تبلت‌ها می‌روند، تقاضا برای 18650 کمرنگ می‌شود.
شکل ۳ عرضه بیش از حد این سلول را نشان می‌دهد که به لطف تقاضای وسایل نقلیه الکتریکی تسلا که هم اکنون از این قالب سلول استفاده می‌کنند، به این نقطه رسیده است.
از اواخر سال 2016، صنعت باتری مضطرب از کمبود باتری به منظور پاسخگویی به تقاضای روزافزون وسایل نقلیه الکتریکی است.
شکل ۳ – تقاضا و عرضه مدل 18650
اگر تقاضاهای جدید در ارتش، پزشکی و هواپیماهای بدون سرنشین از جمله خودروی برقی تسلا وجود نداشت، تقاضای 18650 در سال 2011 به اوج خود می‌رسید. تغییر در طراحی مسطح در محصولات مصرفی و فرمت بزرگتر برای پیشرانه الکتریکی در نهایت 18650 را اشباع می‌کند. ورودی جدید 21700 است.
قالب‌های استوانه‌ای لیتیوم یون دیگری با ابعاد 20700 ، 21700 و 22700 وجود دارد. در همین حال، تسلا، پاناسونیک و سامسونگ برای ساخت آسان، ظرفیت بهینه و سایر مزایا در مورد 21700 تصمیم گرفته‌اند.
در حالی که 18650 حجمی تقریباً 16 سانتی‌متر مکعب (16 میلی لیتر) با ظرفیتی در حدودmAh 3000 دارد. سلول 21700 تقریباً 24 سانتی‌متر مکعب (24 میلی لیتر) با ظرفیت گفته شده تاmAh 6000 است که در اصل ظرفیت را با افزایش 50 درصدی حجم دو برابر می‌کند. تسلا موتور از 21700 جدید شرکت خود به عنوان “بالاترین سلول با چگالی انرژی که ارزانترین است” نیز یاد می‌کند.
سلول بزرگتر 26650 با قطر 26 میلی متر، از محبوبیت مشابه 18650 برخوردار نیست. 26650 معمولاً در سیستم های ترازبندی بار استفاده می‌شود. گفته می‌شود ساخت یک سلول ضخیم‌تر از یک سلول نازک‌تر سخت‌تر است.
برخی از سیستم‌های سرب اسیدی نیز از طرح استوانه‌ای استفاده می‌کنند. در مقایسه با طراحی منشوری معمولی، این مدل سلول، پایداری آن را بهبود بخشیده و جریان تخلیه بالاتر و ثبات دمایی بهتری دارد.
حتی اگر سلول استوانه‌ای با در کنار هم قرار گرفتن استفاده کاملی از فضا نکنند، 18650 دارای تراکم انرژی بالاتری نسبت به سلول لیتیوم منشوری و کیسه‌ای است. Ah 3 سلول 18650 Ah/kg 248 را ارائه می‌دهد. در حالی که یک سلول کیسه‌ای مدرن حدود Ah/kg 140 دارد. تراکم انرژی بالاتر سلول استوانه‌ای توانایی ایده آل کمتری را در آن جبران می‌کند و از فضای خالی می‌توان برای خنک‌سازی و بهبود مدیریت حرارتی استفاده کرد.
سلول سکه‌ای
یکی از انواع سلول باتری، سلول سکه‌ای است که به عنوان سلول دکمه‌ای نیز شناخته شده و طراحی جمع و جوری را برای دستگاه‌های قابل‌حمل دهه 1980 به ارمغان آورد. در این سلولها، ولتاژهای بالاتر با قرار دادن آن‌ها در یک لوله حاصل می‌شود. تلفن‌های بی‌سیم، وسایل پزشکی و چوب‌های امنیتی در فرودگاه‌ها از این باتری‌ها استفاده می‌کردند.
اگرچه ساخت آن كوچك و ارزان است، اما این ترکیب کم‌کم از رده خارج شده و جای خود را به قالب‌های معمولی باتری می‌دهد. سلول‌های دکمه‌ای اگر خیلی سریع شارژ شوند، متورم خواهند شد. سلول‌های دکمه‌ای فاقد دریچه ایمنی هستند و فقط با شارژ 10 تا 16 ساعته می‌توان آن‌ها را شارژ کرد. با این حال، طراحی‌های جدید ادعا می‌کنند که این سلولها قابلیت شارژ سریع را دارند.
اکثر سلول‌های دکمه‌ای که امروزه استفاده می‌شوند، قابل شارژ نیستند و در ایمپلنت‌های پزشکی، ساعت، سمعک، کلیدهای ماشین و پشتیبان‌گیری از حافظه یافت می‌شوند. شکل 4 سلول‌های دکمه را با سطح مقطع نشان می‌دهد.
سلول‌های دکمه‌ای را از دسترس کودکان دور نگه دارید. بلعیدن سلول می‌تواند مشکلات جدی در سلامتی ایجاد کند.
شکل ۴ – سلول‌های دکمه‌ای اندازه کوچک را فراهم می‌کنند. بیشتر آن‌ها برای استفاده تک سلول اصلی هستند.
سلول منشوری
سلول منشوری یکی دیگر از انواع سلول باتری است که در اوایل دهه 1990 معرفی شد. این نوع سلول تقاضای اندازه‌های باریک را برآورده می‌کند. سلول‌های منشوری با استفاده از روش لایه‌ای از فضا استفاده بهینه می‌کنند و در بسته بندی‌های ظریف شبیه یک جعبه آدامس یا یک شکلات کوچک جای دارند.
این سلولها عمدتا در تلفن‌های همراه، تبلت‌ها و لپ‌تاپ‌ها ازmAh 800 تاmAh 4000 یافت می‌شوند. این سلولها هیچ قالب استانداردی ندارند و هر سازنده، ابعاد خاص خود را طراحی می‌کند.
سلول‌های منشوری در قالب‌های بزرگ نیز موجود هستند. که ظرفیتی معادل Ah 50-20 را تحویل می‌دهند و معمولاً برای پیشرانه‌های الکتریکی در خودروهای هیبریدی و الکتریکی استفاده می‌شوند.
سلول منشوری امکان طراحی انعطاف پذیر را فراهم می‌کند و استفاده از فضا را بهبود می‌بخشد؛ اما ساخت آن می‌تواند گران‌تر باشد، در مدیریت حرارتی کارآمدتر باشد و عمر چرخه کمتری نسبت به طرح استوانه‌ای داشته باشد.
سلول منشوری برای دستیابی به فشرده‌سازی به محفظه محکمی نیاز دارد. مقداری تورم ناشی از تجمع گاز طبیعی است و باید در طراحی فضا آن را لحاظ کرد. یک سلول 5 میلیمتری (0.2 “) بعد از 500 چرخه می‌تواند تا 8 میلی متر (0.3”) رشد کند. اگر تورم به محفظه باتری فشار آورد، دیگر از باتری استفاده نکنید. باتری‌های برجسته می‌توانند به تجهیزات آسیب برسانند و ایمنی را به خطر بیندازند.
سلول کیسه‌ای
در سال 1995، سلول کیسه‌ای با طراحی کاملاً بنیادی دنیای سلول باتری را شگفت زده کرد. به جای استفاده از سیلندر فلزی و تغذیه برقی شیشه به فلز، زبانه‌های فویل رسانا به الکترودها جوش داده شده و به روشی کاملاً مهر و موم شده به بیرون آورده شدند.
سلول کیسه‌ای یک راه حل ساده، انعطاف‌پذیر و سبک برای طراحی باتری ارائه می‌دهد. سلول‌های کیسه‌ای می‌توانند جریان بار زیادی را تحویل دهند اما در شرایط بارگیری سبک و با شارژ متوسط، عملکرد بهتری دارد.
سلول کیسه‌ای از فضا بیشترین استفاده را می‌کند و 95-90 درصد کارایی دارد که بالاترین میزان در بین بسته‌های دیگر باتری است. از بین بردن محفظه فلزی باعث کاهش وزن می‌شود. اما سلول برای گسترش در محفظه باتری نیاز به پشتیبانی و هزینه اضافه دارد. بسته‌های کیسه‌ای در مصارف نظامی و خودرویی مورد استفاده قرار می‌گیرند. هیچ استانداردی برای سلول کیسه‌ای وجود ندارد. هر سازنده طراحی خود را انجام می‌دهد.
سلول‌های کیسه‌ای معمولاً لیتیوم پلیمر هستند. سلول‌های کوچک برای دستگاه‌های قابل حمل که نیاز به جریان پر بار دارند، مانند هواپیماهای بدون سرنشین و وسایل تفریحی محبوب هستند. سلول‌های بزرگتر در محدودهAh 40 در سیستم‌های ذخیره انرژی (ESS) کار می‌کنند. زیرا سلول‌های کمتر، طراحی باتری را ساده‌تر می‌کنند.
در حالی که سلول کیسه‌ای کوچکتر می‌توانند در 500 چرخه 10-8 درصد رشد کنند، سلول‌های بزرگ ممکن است در 5000 چرخه به همان اندازه گسترش یابند. بهتر است سلول‌های کیسه‌ای را روی هم قرار ندهید، بلکه آن‌ها را صاف کنار هم قرار دهید یا فضای بیشتری در بین آن‌ها ایجاد کنید. از لبه‌های تیز که باعث انقباض سلول‌های کیسه‌ای می‌شود، خودداری کنید.
تورم شدید نگران کننده است. کاربران سلول‌های کیسه‌ای گزارش کرده‌اند که در یک دوره کوتاه، 3 درصد از تورم را مشاهده کرده‌اند. فشار ایجاد شده می‌تواند درپوش باتری را باز کند و در برخی موارد صفحه نمایش و مدارهای الکترونیکی را خراب کند. استفاده از باتری باد شده را قطع کرده و سلول متورم را در مجاورت گرما یا آتش سوراخ نکنید. گازهای فرار می‌توانند مشتعل شوند.
طرح‌های سلول‌های کیسه‌ای بزرگ تورم کمتری را تجربه می‌کنند. این گازها عمدتا حاوی CO2 (دی اکسید کربن) و CO (مونوکسید کربن) هستند.
سلول‌های کیسه‌ای با افزودن یک کیسه گاز موقت در کنار آن تولید می‌شوند. گازها در حین تشکیل رابط الکترولیت جامد (SEI) در اولین بار شارژ به درون کیسه می‌ریزند. کیسه گاز به عنوان بخشی از فرآیند است و پس از آن، سلول دوباره بسته‌بندی می‌شود.
هزینه ساخت انواع سلول باتری
این فناوری بالغ شده و سلول‌های منشوری و کیسه‌ای ظرفیت بیشتری نسبت به قالب استوانه‌ای دارند. بسته‌های مسطح بزرگ، به خوبی جوابگوی پیشرانه‌های برقی و سیستم ذخیره انرژی (ESS) می‌باشند. هزینه هر کیلووات ساعت در سلول منشوری/کیسه‌ای هنوز بالاتر از سلول 18650 است؛ اما این موضوع در حال تغییر است. طراحی‌های صفحه‌ای در حال رقابتی شدن هستند و کارشناسان باتری تغییر جهت به این قالب‌های سلول را پیش بینی می‌کنند. خصوصاً اگر همان معیارهای عملکرد سلول استوانه‌ای وجود داشته باشد.
تولیدکنندگان سلول‌های آسیایی پیش‌بینی می‌کنند که امکان کاهش هزینه تولید برای چهار سلول متداول لیتیوم یونی، یعنی سلول‌های منشوری و کیسه‌ای 18650، 21700 وجود دارد. 21700 بیشترین کاهش هزینه در طول سال‌ها و تولید اقتصادی را نوید می‌دهد و تا سال 2025 به تعادل قیمت خواهد رسید.
در حالی که 18650 محبوبیت خود را حفظ می‌کند،Fraunhofer سریعترین رشد را با 21700 و سلول کیسه‌ای پیش بینی می‌کند. نوع سلول انتخاب شده هزینه‌های بسته بندی را تغییر می‌دهد. زیرا سلول منشوری می‌تواند به راحتی روی هم چیده شود. سلول‌های کیسه‌ای ممکن است به برخی از فشرده‌سازی‌ها نیاز داشته باشند و سلول‌های استوانه‌ای به سیستم‌های پشتیبانی کننده‌ای احتیاج دارند. بسته‌های بزرگ برای وسایل نقلیه الکتریکی شامل گزینه های دیگری مانند کنترل آب و هوا است که به هزینه اضافه می‌کند.
خلاصه
هر سلول باتری ویژگی‌های خاص خود را دارد. در ادامه ویژگی انواع سلول باتری را به صورت خلاصه بیان خواهیم کرد.
- سلول استوانه‌ای اولین نوع سلول باتری، دارای انرژی خاص بالا و پایداری خوبی است و خود را به تولید خودکار می‌بخشد. طراحی سلول ویژگی‌های ایمنی اضافه شده را فراهم می‌کند که با سایر قالب ها امکان پذیر نیست. چرخه خوبی دارد، عمر طولانی و هزینه کمی دارد. اما چگالی بسته‌بندی آن کمتر است. سلول استوانه‌ای معمولاً برای کاربردهای قابل حمل استفاده می‌شود.
- سلول‌های منشوری برای پایداری در آلومینیوم یا فولاد قرار دارند. سلول با ژله نورد یا انباشته شده، از نظر فضا، جای کمی را اشغال می‌کند؛ اما تولید آن از سلول استوانه‌ای هزینه‌بر تر است. سلول‌های منشوری مدرن در سیستم انتقال قدرت و ذخیره انرژی استفاده می‌شود.
- سلول کیسه‌ای از معماری چند لایه در کیسه استفاده می‌کند. این سلول مقرون به صرفه است. اما قرار گرفتن آن در معرض رطوبت و دمای بالا می‌تواند عمر آن را کوتاه کند. افزودن فشار پشته و جلوگیری از لایه لایه شدن، طول عمر را طولانی می کند. ضمن طراحی‌های سلول، باید تورم 10-8 درصدی بیش از 500 دوره در نظر گرفته شود. سلول‌های بزرگ با بارگذاری سبک و زمان شارژ متوسط بهترین عملکرد را دارند. سلول کیسه‌ای در حال افزایش محبوبیت است و کاربردهای مشابه سلول منشوری را دارد.
پیشنهاد : انواع باتری؛ از گذشته تاکنون
