En el món actual-de moviment ràpid d'electrònica portàtil, energies renovables i disseny de maquinari modern, escollir la font d'alimentació adequada pot tenir un impacte important en el rendiment del producte.
Per a enginyers, desenvolupadors de productes i compradors empresarials, elbateria de polímer de li i bateria d'ions de litiLa decisió normalment es redueix a unes quantes preguntes pràctiques: quanta energia necessiteu? Quant espai tens? Quina intensitat consumeix el producte? I quant de temps ha de durar la bateria?
Ambdues tecnologies pertanyen a la família de bateries de liti recarregables. Però es diferencien en la construcció de cèl·lules, l'embalatge, la fabricació, el disseny mecànic i el rendiment-real.
En aquesta guia, comparem les seves estructures bàsiques, les característiques de rendiment, les consideracions de seguretat i les aplicacions típiques. L'objectiu és ajudar-te a triar el correctesolució de bateria personalitzadaper al vostre producte, amb coneixements d'enginyeria de Blumoti Battery.
Entendre l'arquitectura bàsica: Li-Ion vs LiPo
Per entendre la diferència entre abateria-polímer de liti, sovint anomenat abateria LiPooBateria de li-poli, i un estàndardbateria de ions de liti{0}, també conegut com aBateria de ions de li{0}ocèl·lula de ions de liti, ajuda a començar amb el que hi ha dins de la cèl·lula.[1]
Bateries d'ió-liti
Les bateries d'ions de liti{0}}cilíndriques tradicionals, incloses les cèl·lules comunes 18650 i 21700, solen utilitzar un electròlit líquid fet de sals de liti com el LiPF₆ dissolt en dissolvents de carbonat orgànic.[1]
L'electròlit transporta ions de liti entre el càtode i l'ànode durant la càrrega i la descàrrega.
Aquestes cèl·lules s'allotgen normalment en un recinte metàl·lic rígid. Les cèl·lules cilíndriques solen utilitzar acer o acer-reparat de níquel, mentre que molts dissenys prismàtics utilitzen alumini o una altra carcassa metàl·lica rígida.[2]
La carcassa rígida proporciona protecció mecànica, ajuda a gestionar la pressió interna i admet la fabricació estandarditzada de grans-volums.[2]
Descobriu més bateries cilíndriques d'ions de liti-al lloc web de Blumoti:
https://www.blumoti-battery.com/cylindrical-bateria-de liti
A bateria de polímer d'ions de litinormalment utilitza un sistema separador/electròlit basat en polímer- i s'empaqueta habitualment en una bossa lleugera d'alumini laminat.[1][2]
Depenent del disseny específic de la cèl·lula, l'electròlit pot ser com un gel-suport de polímer- o contenir electròlit líquid immobilitzat dins de l'estructura del separador.[1]
Com que la cèl·lula no requereix una llauna d'acer rígida pesada, els fabricants tenen molta més flexibilitat en les dimensions de la bateria.
Per aixòcèl·lules de bossa, piles de bossa de polímer, ibateries primes de polímer de litis'utilitzen àmpliament en aplicacions on el gruix, el pes o les dimensions personalitzades són importants.[2]
Descobriu més bateries cilíndriques d'ions de liti-al lloc web de Blumoti:
https://www.blumoti-battery.com/lithium-battery-cell/
Resum de les principals diferències estructurals i empíriques
|
Paràmetre clau |
Bateria d'ions de liti (-ions de liti) |
Bateria de polímer de liti (LiPo) |
Referència científica/empírica |
|
Tipus d'electròlit |
Electròlit líquid |
Sistema d'electròlits amb suport-polímer, semblant a-gel o relacionat |
[1] |
|
Tancament / Carcassa |
Carcassa metàl·lica rígida, típicament cilíndrica o prismàtica |
Bossa flexible d'alumini laminat |
[2] |
|
Flexibilitat del factor de forma |
Majoritàriament formes i dimensions estandarditzades |
Opcions de bateria ultra-finas i personalitzades- |
[2][3] |
|
Densitat d'energia gravimètrica |
Normalment al voltant de 150–250 Wh/kg, depenent de la química i el disseny |
Normalment entre 100 i 265 Wh/kg, depenent de la química i el disseny |
[4] |
|
Taxa de descàrrega (Taxa C-) |
Depèn del disseny de la cèl·lula; moltes cel·les estàndard estan optimitzades per a una descàrrega contínua moderada |
Les cèl·lules especialitzades d'alta potència-admeten 30 C o més |
[5] |
|
Longevitat de la vida del cicle |
Els punts de referència comuns poden arribar a 500-1.000 cicles en condicions controlades |
Els valors de referència de cèl·lules-de bossa comuns poden estar entre 300 i 500 cicles, depenent del disseny i l'ús |
[6] |
|
Comportament de fuites / inflor |
La carcassa rígida conté electròlit i gas intern fins a la ventilació o fallada |
L'expansió de la bossa facilita l'observació de la generació de gas i la inflació |
[7] |
Els números anteriors s'han de tractar com a rangs d'enginyeria generals, no com a especificacions universals.
La química cel·lular, el disseny d'elèctrodes, la tensió de càrrega, la temperatura, la profunditat de descàrrega, la configuració del BMS i la qualitat de fabricació poden tenir un impacte important en el rendiment real.[4][6]
Anàlisi detallada del rendiment: polímer de li i ió de liti
En seleccionar un paquet de bateries per a la producció comercial, cal avaluar diversos factors d'enginyeria.
- Densitat d'energia gravimètrica, mesurat en Wh/kg, us indica quanta energia emmagatzema una bateria en relació al seu pes.
- Densitat d'energia volumètrica, mesurat en Wh/L, us indica quanta energia emmagatzema en relació al volum físic.[4]
Les bateries tradicionals d'ions de liti-cel·les rígides- funcionen molt bé quan el producte pot allotjar cèl·lules cilíndriques o prismàtiques estandarditzades.
Les cèl·lules cilíndriques modernes d'alta -energia poden assolir una densitat d'energia volumètrica de nivell cel·lular fort-. Això els converteix en un bon ajust per a aplicacions on la màxima energia emmagatzemada i la construcció de paquets estandarditzats són importants.[4]
Les bateries de polímer de liti ofereixen un avantatge diferent.
Traient la pesada llauna exterior d'acer i evitant l'espai no utilitzat creat quan les cel·les rodones es col·loquen dins de carcasses rectangulars,cèl·lules primes de polímer de litipot aprofitar millor l'espai disponible en productes electrònics prims.[2][4]
Això esdevé especialment important en dissenys de dispositius de menys de 5 mm.
Per a un rellotge intel·ligent, un dispositiu de portàtil mèdic, un rastrejador compacte o un dispositiu de consum ultra-prim, la millor bateria sovint no és la cèl·lula amb el Wh/kg teòric més alt.
És la bateria que utilitza el sobre de producte disponible de manera més eficient.
Si el vostre producte necessita un subministrament ràpid d'energia, la velocitat màxima de descàrrega C-esdevé crítica.
Això és especialment important per a motors elèctrics, UAV, drons, dispositius RC, robòtica i altres aplicacions d'alt-sortida.[5]
A bateria de polímer d'alta velocitat de descàrregaes pot dissenyar amb pestanyes de recollida-de corrent més grans, estructures d'elèctrodes optimitzades i camins de corrent de baixa-resistència.
Aquestes característiques ajuden a reduir la impedància interna i la baixada de tensió sota càrrega pesada.[3][5]
Les bateries especialitzades de LiPo{0}}de gran potència poden suportar velocitats de descàrrega contínua de 30 ºC o més, depenent de la química de la cèl·lula, la construcció de l'elèctrode, les condicions tèrmiques i les especificacions del fabricant.[5]
Aquesta és una de les raons per les quals les bateries LiPo s'utilitzen àmpliament en drons i aplicacions RC.
D'altra banda, les cèl·lules cilíndriques estàndard de ions de li-són solen ser una opció excel·lent per a un subministrament d'energia constant i una llarga durada.
És important tenir en compte que el format de la cel·la per si sol no determina la capacitat de descàrrega.
Una cèl·lula d'ions de liti-cilíndrics d'alta potència- pot superar una cèl·lula de bossa-concentrada en l'energia. De la mateixa manera, una bateria LiPo d'alta-tasa-C-construïda específicament pot oferir molt més corrent que una pila cilíndrica estàndard.
Compareu sempre el corrent continu real, el corrent de pols, la resistència interna, la baixada de tensió i les dades tèrmiques de la cèl·lula específica.
Una pregunta comuna és:
Les bateries de liti-polímers carreguen més ràpidament que les bateries de liti-ions?
No necessàriament.
La velocitat de càrrega depèn de la química de la cèl·lula, el disseny de l'elèctrode, la resistència interna, la temperatura i els límits de càrrega recomanats pel fabricant.[3][5]
Algunes bateries de LiPo dissenyades per a aplicacions d'alt-drenatge utilitzen elèctrodes optimitzats i estructures de baixa-resistència que permeten velocitats C-de càrrega més altes.
Segons el disseny específic, algunes cèl·lules-d'alt rendiment poden admetre la càrrega ràpida a 2 ºC o més.[5]
Però això no vol dir que totes les bateries LiPo es puguin carregar ràpidament-de manera segura.
Tant les bateries Li-Ion com les LiPo normalment requereixen un control controlatCC/CV - Corrent constant/Tensió constantprocés de càrrega.
També necessiten els límits de tensió i corrent de càrrega correctes.
Per als paquets de bateries comercials, un disseny adequatsistema de gestió de la bateria (BMS)és igual d'important.
La càrrega fora dels límits especificats pel fabricant de la cèl·lula pot accelerar la degradació i augmentar el risc de seguretat.
La vida útil de la bateria s'avalua normalment pel nombre de cicles de càrrega-descàrrega que la bateria pot completar abans que la seva capacitat caigui per sota d'un llindar definit.
Un punt de referència comú és80% Estat de salut, o 80% SOH.[6]
-
Longevitat de les cèl·lules d'ions de liti-
En condicions controlades, les bateries cilíndriques d'ions de liti-estàndards solen associar-se amb intervals de vida-de cicles d'aproximadament 500 a 1.000 cicles abans d'arribar al voltant del 80% de la capacitat inicial.[6]
La construcció mecànica rígida també pot proporcionar un suport físic fort per al conjunt d'elèctrodes interns.
-
Longevitat de la cèl·lula del polímer de liti-
Moltes bateries de polímer de liti de bossa suau es classifiquen habitualment en el rang de 300 a 500 cicles en condicions de prova típiques.[6]
Les cèl·lules de la bossa poden experimentar canvis dimensionals i generació de gas a mesura que envelleixen. El suport mecànic, la gestió tèrmica, la tensió de càrrega, la temperatura de funcionament i la profunditat de descàrrega poden afectar el rendiment-a llarg termini.[6][7]
Aquests números no s'han de tractar com una regla fixa.
Una cel·la de bossa-ben dissenyada i operada en condicions suaus pot durar més que una cèl·lula cilíndrica mal gestionada.
Per a la selecció d'enginyeria, compareu sempre les dades del cicle-de vida útil amb els mateixos criteris de velocitat de càrrega, velocitat de descàrrega, temperatura, profunditat de descàrrega i final-de-vida útil.
Perfils de seguretat, estabilitat tèrmica i certificacions
La seguretat de la bateria depèn de molt més que si una cèl·lula està etiquetada amb Li-ion o LiPo.
La validació de seguretat generalment implica proves elèctriques, tèrmiques i mecàniques. Segons l'aplicació i el mercat, els requisits rellevants poden incloure estàndards com araUL 1642iIEC 62133-2, mentre que les bateries de liti destinades al transport estan subjectes a la normativa aplicableONU 38.3requisits de prova.[7][8]
-
Mecànica de fuga tèrmica i sobreescalfament
La fuga tèrmica de la bateria d'ions de liti-impliqui una sèrie de reaccions-generadores de calor dins de la cèl·lula.
A mesura que augmenta la temperatura interna, elInterfase d'electròlits sòlids (SEI)pot començar a degradar-se. Es poden produir reaccions addicionals que involucren l'electròlit, el separador, els elèctrodes i altres components de la cèl·lula.[7]
La degradació del SEI s'associa habitualment amb temperatures que comencen aproximadament entre els 80 i els 120 graus, tot i que la temperatura d'inici exacta depèn de la química, l'estat de càrrega i la construcció de la cèl·lula.[7]
El comportament d'apagat del separador es pot produir a temperatures més altes, sovint al voltant de 130 graus per a determinats sistemes de separació.[7]
Si la generació de calor és més ràpida que la dissipació de calor, el procés es pot{0}}autosuficient.
A les cèl·lules cilíndriques rígides, el gas generat durant un abús greu o una fallada interna genera pressió a l'interior del recinte metàl·lic.
Per tant, les cèl·lules cilíndriques de qualitat utilitzen habitualment dispositius de seguretat dissenyats, com ara ventilacions, mecanismes d'apagada o dispositius d'interrupció-de corrent.[2][7]
-
Inflor de la bateria vs fuites
Les bateries LiPo amb format-bossa es comporten de manera diferent.
El gas generat per la descomposició d'electròlits o altres reaccions de degradació pot fer que la bossa laminat s'expandeixi.[7]
Això crea allò familiarbateria de polímer infladacondició.
Com que la bossa és flexible, la inflor és sovint més fàcil de veure que l'acumulació de pressió interna dins d'una cèl·lula cilíndrica rígida.
La inflor visible s'ha de tractar com un senyal d'advertència.
Una bateria inflada, perforada, amb fuites o anormalment calenta s'ha de treure del servei i manipular-la segons les instruccions de seguretat del fabricant.
Tot i que la construcció de la bossa pot reduir el risc associat a les fuites d'electròlits-que flueixen lliurement durant el funcionament normal, una bateria LiPo encara pot filtrar-se si la bossa està perforada, trencada, aixafada o danyada d'una altra manera.[1][7]
-
Integració de protecció BMS
Els paquets de bateries OEM desenvolupats per Blumoti Battery poden integrar una protecció BMS multi-capes en funció dels requisits elèctrics de l'aplicació.
Les funcions de protecció típiques inclouen:
- Protecció per sobre{0}}temperatura
- Protecció de sobrecàrrega
- Protecció sobre-descàrrega
- Protecció sobre-actual
- Protecció{0}}de curtcircuits
- Equilibri cel·lular quan sigui necessari
Per complir, és important separar la funcionalitat del BMS dels requisits de certificació i transport.
ONU 38.3cobreix les proves de qualificació de disseny per a cèl·lules i bateries de liti destinades al transport.[8]
IEC 62133-2especifica els requisits i les proves de seguretat per a les piles de liti secundàries segellades portàtils i les bateries que contenen electròlits no -àcids.[8]
UL 1642és un estàndard de seguretat àmpliament utilitzat per a les cèl·lules de liti.[8]
La ruta de certificació exacta depèn del disseny de la bateria, el producte acabat, el mercat objectiu i l'aplicació.
Aplicacions objectiu: escollir la solució adequada
Quan triar el polímer de liti (LiPo)
Electrònica ultra-fina i portàtil
Les bateries de polímer de liti són una opció forta per a rellotges intel·ligents, rastrejadors de salut, dispositius mèdics i altres productes on el gruix i el factor de forma són importants.
La seva construcció de bossa permet als fabricants desenvolupar dimensions de cel·les primes i personalitzades que serien difícils d'aconseguir amb cèl·lules cilíndriques estàndard.[2][3]
Drones, UAV i dispositius RC
Les bateries LiPo s'utilitzen àmpliament en plataformes aèries i RC perquè aquestes aplicacions sovint requereixen una forta relació potència-a-pes i corrent de descàrrega màxima elevada.[5]
Les bateries especialitzades de LiPo d'alta{0}}descàrrega poden suportar velocitats de descàrrega superiors a 30 ºC quan estan dissenyades correctament per a un funcionament d'alta-potència.[5]
Maquinari de consum Slim
Els telèfons intel·ligents, les tauletes, l'electrònica de mà i altres dispositius prims es beneficien de les cèl·lules de bossa que poden utilitzar espais rectangulars plans de manera eficient.
Això ofereix als enginyers mecànics i dissenyadors industrials més llibertat quan treballen al voltant de pantalles, PCB, càmeres, sensors i altres components interns.
Quan triar-Ion de liti (I{-Liti)
Sistemes d'emmagatzematge d'energia (ESS) i energia de reserva
Les cèl·lules d'ions de liti-s'utilitzen àmpliamentSistemes d'emmagatzematge d'energia (ESS)i aplicacions d'energia de seguretat-, perquè els formats de cel·les estandarditzats poden suportar una fabricació escalable, cadenes de subministrament madures i una arquitectura de paquets previsible.[4][6]
En projectes d'ESS més grans, la química cel·lular, la gestió tèrmica, el cost del sistema-, la seguretat i la vida del cicle solen ser més importants que l'etiqueta LiPo-en comparació amb l'etiqueta-Li-.
Vehicles elèctrics (VE) i mobilitat elèctrica{0}
Formats cilíndrics estandarditzats com18650, 21700 i cel·les cilíndriques de format-superiors'utilitzen àmpliament en aplicacions de mobilitat elèctrica.
La seva geometria estandarditzada admet la fabricació automatitzada i el muntatge de paquets repetibles.[2][4]
Les cèl·lules d'ions de liti-de bossa i prismàtiques també s'utilitzen àmpliament a les plataformes de vehicles elèctrics, de manera que el format de la cel·la s'ha de seleccionar en funció de l'arquitectura general del sistema-de la bateria.
Eines elèctriques i equips industrials
Les eines elèctriques i els equips industrials necessiten una forta durabilitat mecànica i una gran capacitat de corrent.
Les cèl·lules d'ions de liti{0}}cilíndriques rígides s'adapten bé a aquests entorns perquè la carcassa metàl·lica proporciona protecció mecànica contra els cops i les vibracions.[2]
Les cèl·lules cilíndriques{0}}d'alta potència també poden oferir un corrent de descàrrega substancial, per això segueixen sent habituals a les eines elèctriques professionals.
Per què associar-se amb Blumoti Battery per personalitzar la bateria OEM/ODM?
Si el vostre producte necessita abateria d'ions de liti d'alta capacitat-o acel·la fina de polímer de liti-dissenyada a mida, la bateria ha d'ajustar-se a més d'un objectiu de capacitat.
També ha de coincidir amb els requisits elèctrics, mecànics, tèrmics, de seguretat i de producció del producte.
La bateria Blumoti ofereixServeis de fabricació personalitzats de bateries OEM i ODMper a aplicacions comercials i industrials.
Factors de forma personalitzats
Blumoti admet dimensions de bateria personalitzades, mida de bossa, dissenys de paquets, posicions de cables, opcions de connector i configuracions de tensió.
Això ofereix als equips de producte més flexibilitat quan treballen amb espais interns estrets o inusuals.
Enginyeria integrada de BMS
Els paquets de bateries personalitzats es poden dissenyar amb funcions de protecció BMS en funció dels requisits operatius reals del dispositiu.
Aquests poden incloure protecció contra sobrecàrrega, sobre-descàrrega, sobre-corrent, curt-circuit, temperatura i equilibri-de cèl·lules.
Si escau, el desenvolupament de la bateria també pot requerir proves i requisits de compliment rellevants, com araUN 38.3, IEC 62133-2 i estàndards ULen compte.[8]
Eficàcia de costos optimitzada
El cost de la bateria no només es refereix al preu de les cèl·lules.
L'arquitectura del paquet, els materials, el disseny de BMS, la soldadura, el muntatge, les proves, la certificació i el volum de producció afecten el cost final.
Un disseny de bateria escalable ajuda a reduir la complexitat innecessària alhora que es manté el rendiment i els objectius de seguretat necessaris.
Poseu-vos en contacte amb Blumoti Battery avui per parlar de la vostra aplicació amb el nostre equip d'enginyers i sol·licitar una solució d'alimentació personalitzada per al vostre proper projecte de maquinari.
https://www.blumoti-battery.com/contact-ns
Referències i fonts autoritzades
[1] Tarascon, JM i Armand, M.
"Problemes i reptes que s'enfronten a les bateries de liti recarregables".Natura, Vol. 414, pp. 359–367, 2001.
S'utilitza per a: fonaments d'electròlits d'ions de liti-, sistemes d'electròlits de polímers, química de bateries de liti i arquitectura electroquímica general.
[2] Battery University / Cadex Electronics.
Recursos tècnics de la sèrie BU-que cobreixen formats de cèl·lules d'ions de liti-, cèl·lules cilíndriques, cel·les prismàtiques, cèl·lules de bossa, construcció de bateries i mecanismes de seguretat.
S'utilitza per a: carcassa metàl·lica rígida i construcció de bosses, diferències de-factors de forma, característiques mecàniques i comparacions de format-cel·lular.
[3] Chen, M. i Rincon-Mora, GA
"Model de bateria elèctrica precís capaç de predir el temps d'execució i el rendiment I-V".Transaccions IEEE sobre conversió d'energia, Vol. 21, No. 2, pp. 504–511, 2006.
S'utilitza per a: comportament de la bateria elèctrica, consideracions de resistència/impedància interna, resposta de tensió i modelització del rendiment de la bateria.
[4] Departament d'Energia dels EUA (DOE), Oficina de Tecnologies de Vehicles.
Informes d'R+D de les bateries, objectius de rendiment de les bateries de vehicles elèctrics, recursos del manual de proves de bateries i publicacions d'R+D d'emmagatzematge d'energia.
S'utilitza per a: punts de referència de densitat d'energia-gravimètrica i volumètrica, rendiment de la bateria de vehicles elèctrics i aplicacions d'emmagatzematge d'energia-de ions de liti a gran-escala-ions de liti.
[5] Scrosati, B. i Garche, J.
"Bateries de liti: estat, perspectives i futur".Revista de fonts d'energia, Vol. 195, No. 9, pp. 2419–2430, 2010.
S'utilitza per a: rendiment de la bateria de liti, consideracions de la -descàrrega, cinètica de càrrega i desenvolupament de bateria de liti-alta potència.
[6] Informes del taller de bateries aeroespacials de la NASA i investigació sobre l'envelliment de les bateries.
Materials de taller-de la bateria de la NASA i investigació relacionada amb l'envelliment, el cicle-de vida i la degradació d'ions de liti-.
S'utilitza per a: punts de referència de cicle-de vida, estat de salut (SOH), factors de degradació i comparacions del comportament de les cèl·lules d'ions de liti-en cicles.
[7] Finegan, DP, et al.
"En-operant tomografia d'alta-velocitat de bateries d'ions de liti- durant la fuga tèrmica".Comunicacions de la natura, Vol. 6, article 6924, 2015; juntament amb la investigació relacionada amb la seguretat de la bateria d'ions de liti-NREL.
S'utilitza per a: mecanismes de fuga tèrmica, fallada estructural interna, generació de calor, evolució de gas i comportament de seguretat de la bateria.
[8] Comissió Electrotècnica Internacional (IEC), UL Solutions i Comissió Econòmica de les Nacions Unides per a Europa (UNECE).
IEC 62133-2: Requisits de seguretat per a cèl·lules i bateries de liti secundàries segellades portàtils; UL 1642: Estàndard per a bateries de liti; Manual de proves i criteris de l'ONU, part III, subsecció 38.3.
S'utilitza per a: requisits de seguretat de-cel·les de liti, proves de seguretat i proves de qualificació de disseny de transport de bateries de liti-.
