سایناکو | صنایع باتری سازی ساینا تولید کننده و وارد کننده باتری یو پی اس
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 می‌کند 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. نشت و خشک شدن ممکن است پس از شکستن غشا رخ دهد. 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.
برای اجازه دادن به تغییرات در اندازه معین، 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 2 همچنان یکی از محبوب‌ترین بسته بندی سلولی است. برنامه‌های معمول 18650 لیتیوم یون ابزارهای برقی، دستگاه‌های پزشکی، لپ تاپ‌ها 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 و 18650 سلول تولید شد. سلول‌های انرژی اولیه 2.2Ah داشتند. این با سلول 2.8Ah جایگزین شد. سلول‌های جدید در حال حاضر 3.1Ah با افزایش به 3.4Ah تا سال 2017 هستند. تولیدکنندگان سلول در حال آماده سازی برای 3.9Ah 18650 هستند.
18650 میتواند بهینه‌ترین سلول باشد. این یکی از کمترین هزینه‌ها برای هر Wh است و سوابق قابلیت اطمینان خوبی دارد. هنگامی که مصرف‌کنندگان به سمت طراحی‌های مسطح در تلفن‌های هوشمند و تبلت‌ها می‌روند، تقاضا برای 18650 کمرنگ می‌شود.
شکل 3 بیش از حد عرضه را نشان می‌دهد که به لطف تقاضای وسایل نقلیه الکتریکی تسلا که هم اکنون از این قالب سلول استفاده می‌کنند، اصلاح می‌شود.
از اواخر سال 2016، صنعت باتری مضطرب از کمبود باتری برای پاسخگویی به تقاضای روزافزون برای وسایل نقلیه الکتریکی است.
.
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 حدود 3000mAh دارد. سلول 21700 تقریباً 24 سانتی‌متر مکعب (24 میلی لیتر) با ظرفیت گفته شده تا 6000mAh 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. طولانی‌تر کردن سلول ترجیح داده می‌شود.
برخی از سیستم‌های سربی اسیدی نیز از طرح استوانه‌ای استفاده می‌کنند. این سلول در مقایسه با طراحی منشوری معمولی، پایداری سلول را بهبود می‌بخشد. جریان تخلیه بالاتر و ثبات دمایی بهتری دارد.
حتی اگر سلول استوانه‌ای با ایجاد حفره‌های هوا در کنار هم قرار گرفتن از فضا استفاده کامل نکند، 18650 دارای تراکم انرژی بالاتری نسبت به سلول لیتیوم منشوری و کیسه‌ای است. 3Ah سلول 18650 248Ah/kg را ارائه می‌دهد. در حالی که یک سلول کیسه‌ای مدرن حدود 140Ah/kg دارد. تراکم انرژی بالاتر سلول استوانه‌ای توانایی ایده آل کمتری را در آن جبران می‌کند و فضای خالی را می‌توان همیشه برای خنک‌سازی برای بهبود مدیریت حرارتی استفاده کرد.
از تجزیه سلول‌ها همیشه نمی‌توان جلوگیری کرد اما از انتشار می‌توان جلوگیری کرد. سلول‌های استوانه‌ای معمولاً از یکدیگر فاصله دارند تا در صورت برخاستن یک سلول، از تکثیر جلوگیری کنند. فاصله نیز به مدیریت حرارتی کمک می‌کند. علاوه بر این، یک طرح استوانه‌ای تغییر اندازه نمی‌دهد. در مقایسه، یک سلول منشوری 5 میلیمتری میتواند با استفاده از آن تا 8 میلی‌متر گسترش یابد.
سلول سکه‌ای
یکی از انواع سلول باتری سلول سکه‌ای است که به عنوان سلول دکمه‌ای نیز شناخته می‌شود. طراحی جمع و جور را در دستگاه‌های قابل حمل دهه 1980 فعال می‌کند. ولتاژهای بالاتر با قرار دادن سلول‌ها 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 سلول دكمه‌ای انباشته شده از پس علاقه خارج شده و جای خود را به قالب‌های معمولی باتری می‌دهد. اشکال در سلول دکمه اگر خیلی سریع شارژ شود متورم می‌شود. سلول‌های دکمه فاقد دریچه ایمنی هستند و فقط با شارژ 10 تا 16 ساعته می‌توان شارژ کرد. با این حال، طراحی‌های جدید قابلیت شارژ سریع را ادعا می‌کنند.
اکثر سلول‌های دکمه‌ای که امروزه استفاده می‌شوند، قابل شارژ نیستند و در ایمپلنت‌های پزشکی، ساعت، سمعک، کلیدهای ماشین و پشتیبان گیری 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.
بیشتر بخوانید: نکات بهداشتی باتری را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)
شکل 4 – سلول‌های دکمه‌ای اندازه کوچک را فراهم می‌کنند. بیشتر آن‌ها برای استفاده تک سلول اصلی هستند.
سلول منشوری
سلول منشوری مدرن یکی دیگر از انواع سلول باتری در اوایل دهه 1990 معرفی شد. این نوع سلول تقاضای اندازه‌های باریک را برآورده می‌کند. بسته‌بندی شده در بسته بندی‌های ظریف شبیه یک جعبه آدامس یا یک شکلات کوچک، سلول‌های منشوری با استفاده از روش لایه‌ای از فضا استفاده بهینه می‌کنند.
طرح‌های دیگر به صورت رول شبه منشوری منسوخ شده و صاف می‌شوند. این سلول‌ها عمدتا در تلفن‌های همراه، تبلت‌ها و لپ تاپ‌های کم مشخصات از 800mAh تا 4000mAh یافت می‌شوند. هیچ قالب جهانی وجود ندارد و هر سازنده خود را طراحی می‌کند.
سلول‌های منشوری نیز در قالب‌های بزرگ موجود هستند. بسته بندی شده در محفظه‌های آلومینیومی جوش خورده، سلول‌ها ظرفیت 20-50 Ah را تحویل می‌دهند و در درجه اول برای پیشرانه‌های الکتریکی در خودروهای هیبریدی و الکتریکی استفاده می‌شوند.
سلول منشوری استفاده از فضا را بهبود می‌بخشد و امکان طراحی انعطاف پذیر را فراهم می‌کند. 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 رشد داده شود. یک سلول 5 میلیمتری (0.2 “) بعد از 500 چرخه میتواند تا 8 میلی متر (0.3”) رشد کند. اگر اعوجاج 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. فشار پشته توصیه می‌شود اما باید تورم ایجاد شود. 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 90-95 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 کمک هزینه 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.
سلول کیسه‌ای معمولاً لیتیوم پلیمر هستند. سلول‌های کوچک برای برنامه‌های قابل حمل که نیاز به جریان پر بار دارند، مانند هواپیماهای بدون سرنشین و وسایل تفریحی محبوب هستند. سلول‌های بزرگتر در محدوده 40Ah در سیستم‌های ذخیره انرژی (ESS) کار می‌کنند. زیرا سلول‌های کمتر، طراحی باتری را ساده می‌کنند.
اگرچه به راحتی قابل انباشت است، اما باید تورم را تهیه کرد. در حالی که سلول کیسه‌ای کوچکتر می‌توانند 8-10 درصد در 500 چرخه 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 ضعیف دسته‌ای، 3 درصد از تورم اتفاق افتاده است. فشار ایجاد شده میتواند درپوش باتری را رها کند و در برخی موارد صفحه نمایش و مدارهای الکترونیکی را خراب می‌کند. استفاده از باتری باد شده را قطع کرده و سلول نفخ را در مجاورت گرما یا آتش سوراخ نکنید. گازهای فرار می‌توانند مشتعل شوند.
تورم میتواند به دلیل گازگرفتگی ایجاد شود. پیشرفت‌هایی با طراحی‌های جدیدتر انجام می‌شود. 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 گاز می‌ریزند. کیسه گاز به عنوان بخشی از فرآیند اتمام قطع و دوباره بسته‌بندی می‌شود. تشکیل یک SEI جامع کلیدی در شیوه‌های خوب قالب بندی است.
از اتهامات بعدی باید حداقل گازها تولید شود. با این حال، نمی‌توان به طور کامل از تولید گاز که به آن گاز می‌گویند نیز جلوگیری کرد. علت آن تجزیه الکترولیت به عنوان بخشی از مصرف و فرسودگی باتری است. فشار مانند شارژ بیش از حد و گرم شدن بیش از حد باعث ایجاد گاز می‌شوند.
هزینه ساخت انواع سلول باتری
این فناوری بالغ شده و سلول‌های منشوری و کیسه‌ای ظرفیت بیشتری نسبت به قالب استوانه‌ای دارند. بسته‌های مسطح بزرگ، پیشرانه‌های برقی و سیستم ذخیره انرژی (ESS) را با نتایج خوب ارائه می‌دهند. هزینه هر کیلووات ساعت در سلول منشوری / کیسه‌ای هنوز بالاتر از سلول 18650 است اما این در حال تغییر است. طراحی‌های صفحه تخت در حال رقابتی شدن است 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 کاهش 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 با کیسه تا سال 2025 به تعادل قیمت می‌رسد.
Fraunhofer سریعترین رشد را با 21700 و سلول کیسه‌ای پیش بینی می‌کند. در حالی که 18650 محبوبیت خود را حفظ می‌کند. هزینه‌های هر کیلووات ساعت شامل BMS و بسته‌بندی نیست. نوع سلول انتخاب شده هزینه‌های بسته بندی را تغییر می‌دهد. زیرا 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 همچنین شامل کنترل آب و هوا است که به هزینه اضافه می کند.
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 دارد و هزینه کمی دارد. اما چگالی بسته‌بندی ایده آل 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 کم مصرف است اما تولید آن از سلول استوانه‌ای هزینه بر 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 در معرض رطوبت و دمای بالا میتواند عمر را کوتاه کند. افزودن فشار پشته سبک با جلوگیری از لایه لایه شدن، طول عمر را طولانی می کند. تورم 8-10 درصدی بیش از 500 دوره باید با برخی از طراحی‌های سلول 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.
