Основным компонентом аккумуляторных батарей, обеспечивающих питание всего, от бытовой электроники до электромобилей, является литий-ионный элемент.
Литий-ионные элементы, как правило, не являются отдельными частями. Они соединены последовательно и параллельно, образуя окончательную сборку, называемую аккумуляторной батареей. Но для каждой аккумуляторной батареи выбранная ячейка элементов определяет срок службы и производительность всей батареи. Рабочие характеристики элемента определяют размер, вес, напряжение, ток, мощность и экологические характеристики «финальной версии» аккумуляторной батареи.
Литий-ионные элементы бывают трех основных форм: цилиндрической, призматической (или кирпичной) и плоской прямоугольной формы литий-полимерных элементов. Стандартные форматы цилиндрических ячеек в металлическом корпусе: 18650 (диаметр 18 мм × высота 65 мм), 21700 (21 × 70 мм) или 26650 (26 × 65 мм). Внутри цилиндрических и призматических ячеек слои материала батареи свернуты внутрь, как рулон желе. Литий-ионные цилиндрические и призматические элементы «расфасованы» в металлические банки.
Призматические элементы или элементы в форме кирпича часто бывают более экономичны и доступны в бесчисленных размерах. Одна из основных особенностей призматической ячейки — это сброс давления с выводами наверху металлической банки. Положительный и отрицательный выводы на призматической ячейке — это выступы из ячейки. В многоэлементных аккумуляторных батареях с ограниченным пространством рекомендуется использовать призматические элементы, поскольку их прямоугольная форма приводит к минимальным зазорам между элементами.
Литий-полимерные элементы, иногда называемые «ламинатными», доступны в специальных посадочных местах. Они могут быть очень тонкими или громоздкими в зависимости от требуемого формата. Основным преимуществом литий-полимерных батарей является широкий диапазон доступных форм-факторов. Эти типы ячеек заключены в негибкие пакеты из ламината и алюминиевой фольги, которые имеют толщину всего 0,1 мм по сравнению с толщиной 0,25–0,40 мм у алюминиевых или стальных банок, используемых для заключения цилиндрических или призматических ячеек. В отличие от цилиндрических элементов, в категории литий-полимерных не так много стандартных посадочных мест. Это приводит к увеличению спроса предложений ячеек.
Крупные производители смартфонов и других портативных устройств отдают предпочтение литий-полимерным элементам, поскольку они занимают более гибкую позицию. За последнее десятилетие многие персональные компьютеры перешли от цилиндрических к литий-полимерным элементам, что открывает путь к более тонким и легким ноутбукам и планшетам.
Тенденции химической составляющей ячеек
В случае литий-ионных элементов химический состав, лежащий в их основе, определяет рабочие характеристики элементов. За последнее десятилетие было введено множество химических составов аккумуляторных ячеек, и каждая из этих формул выявила четкие тенденции. Наиболее распространенными химическими составами элементов являются оксид лития-кобальта (LCO), литий-никель-кобальт-оксид алюминия (NCA), литий-никель-марганцевый оксид-кобальт (NMC) и фосфат лития-железа (LFP).
Десять лет назад LCO был самым распространенным химическим веществом для цилиндрических и призматических ячеек. Тем не менее, NMC вышла вперед с лучшими рабочими характеристиками из всех химических составов ячеек. Она также более экономична, поскольку в ней используется меньше кобальта, а его запасы ограничены и он стоит дорого.
Никель и марганец усиливают характеристики друг друга, а вариации основной формулы приводят к более совершенным элементам с большей мощностью. По оценкам отраслевых аналитиков, к 2025 году на NMC будет приходиться 20% всех литий-ионных аккумуляторных элементов на рынке. Кроме того, производители электромобилей отдают предпочтение NMC. Ведущие производители ячеек NMC включают BYD, LG, Murata, Panasonic / Sanyo и Samsung.
Химический состав LFP также предлагает хорошие электрохимические характеристики с низким импедансом, поскольку в нем используется фосфатный материал для катода. Ключевые преимущества — высокая сила тока и исключительный срок службы, хорошая термическая стабильность и превосходная безопасность в неблагоприятных условиях. Эти типы элементов имеют более безопасный катодный материал, чем батареи NMC, и не разлагаются при более высоких температурах. Литий-ионные элементы обычно содержат легковоспламеняющиеся вещества; если они повреждены или перезаряжены, они могут неконтролируемо перегреться при тепловом разгоне. Перегрев может привести к задымлению, пожару или даже взрывам.
Аккумуляторы LFP обеспечивают лучшую термическую и химическую стабильность. Кроме того, поскольку LFP имеет меньшую удельную энергию (как по объему, так и по весу) и более высокую стоимость ватт-часа, чем батареи LCO, NCA, NMC или LFP, он идеально подходит для приложений, требующих высокой мощности и длительного срока службы, или повышенные рабочие температуры. Традиционно LCO / NCA / NMC и LFP практически не пересекались в их конкретных приложениях. Ведущие производители ячеек LFP включают BAK, BYD, CALB и CATL.
Батарейные элементы NMC вытесняют ячейки LFP в некоторых приложениях из-за увеличения номинальной мощности, высокой плотности энергии и более низкой стоимости ватт-часа. Они также начинают заменять элементы LFP в мощных системах, таких как электроинструменты, аккумуляторы для погрузочно-разгрузочного оборудования и трансмиссии для электрических автобусов.
Для каждого химического состава ячейки существует сегментация внутри каждой категории, поскольку производители аккумуляторов продвигают свою продукцию в сегменты рынка с большой емкостью или большой мощностью. Мы начинаем видеть большее совпадение между мощными NMC и высокоэнергетическими ячейками LFP. Во многих случаях уже не существует явно превосходного химического состава ячеек для определенного набора требований к производительности.
Green Cubes Technology производит аккумуляторные батареи для многих промышленных применений, и компания обычно использует элементы NMC или LFP. Разрыв в производительности между NMC и LFP сокращается.
Тенденции формата ячеек
Для обзора: литий-ионные элементы, упакованные в металлические корпуса, бывают двух форм — цилиндрической и призматической.
Цилиндрические элементы бывают разных форматов, но традиционно самым популярным форматом для аккумуляторных элементов LCO, NCA и NMC был 18650. И когда Panasonic в партнерстве с Tesla создала новую батарею для электромобилей, они разработали уникальный формат ячеек 21700.
Увеличение размеров ячейки 18650 на несколько миллиметров (рисунок ниже) приводит к увеличению объема активного материала батареи на 50%. Этот размер ячеек в настоящее время поддерживается большинством ведущих производителей ячеек NMC. В результате 18650 и 21700 являются двумя наиболее распространенными форматами для химии NMC. Если вы выберете элемент 18650 или 21700 для создания аккумуляторной батареи NMC, то с учетом стандартизации можно будет найти альтернативный элемент с аналогичной производительностью.
По данным отраслевых аналитиков, в 2020 году было отгружено более 2 миллиардов ячеек формата 21700, что на 25% больше, чем в предыдущем году. По другим оценкам, на эти типы элементов также приходилось 24% всех цилиндрических батарей, поставленных в 2020 году. Ячейка 26650 обычно не сочетается с химическим составом NMC. Меньшие призматические форматы NMC, такие как 103450 (10 × 34 × 50 мм), в последние годы потеряли позиции на рынке, поскольку литий-полимерные элементы стали более популярными.
Для ячеек LFP распространены форматы 18650 и 26650; оба обычно предлагаются ведущими производителями ячеек LFP (рисунок ниже). Это позволяет использовать два источника от конкурирующих производителей ячеек при выборе ячеек LFP для аккумуляторной батареи. Формат 26650 в значительной степени ограничен химическим составом клеток LFP. Большие призматические ячейки LFP в диапазоне от 50 до 100 Ач приобрели популярность за последние несколько лет.
Призматические форматы LFP большего размера обычно используются в электромобилях или промышленном оборудовании, таком как вилочные погрузчики (рисунок ниже). Эти батареи классифицируются как средне- и крупноформатные и требуют очень высокой мощности. К сожалению, стандарты для крупноформатных призматических ячеек LFP отсутствуют, поэтому любая ячейка, выбранная для аккумуляторной батареи, будет поставляться из одного источника от определенного производителя.
Вывод
При разработке мобильного или портативного устройства, в котором для питания используются литий-ионные батареи, важно помнить о различных форматах и химическом составе ячеек, представленных на рынке. Выбор элемента питания является наиболее важным решением на ранней стадии проектирования не только аккумуляторной батареи, но и конечного устройства. Выбор формата литий-ионного аккумулятора и его химического состава с учетом динамики рынка может помочь гарантировать длительный жизненный цикл элемента и предоставить план повышения производительности и затрат на протяжении всего срока службы вашего устройства.