Форм-факторы аккумуляторных батарей
Первые электрические батарейки которые пошли в массовое производство, обладали цилиндрической формой. Именно в таком исполнении производился типоразмер F, введённый в 1896 году для фонарей и типоразмер D, появившийся в 1898 году. Но по ходу развития технологий, начали появляться требования к габаритам электронакопителей. Конкретно, речь шла об их уменьшении. Были разработаны соответствующие вариации, С и АA. Первые ввели в 1900 году, а АА — в 1907 году. Эти изделия также изготавливались в форме цилиндра.
Но, ближе к делу. Эту статью я хочу посвятить форм-факторам современных аккумуляторных батарей, их преимуществам и недостаткам.
Содержание:
- Цилиндрическая форма.
- Кнопочная (таблеточная) форма.
- Призматическая форма.
- Бескорпусная разновидность.
Цилиндрическая форма
Начнём с цилиндрических электрокомпонентов, которые являются одними из самых востребованных для первичных и вторичных АКБ.
Большинство литиевых и никелевых электронакопителей цилиндрической формы, обладают функцией переключателя положительного теплового коэффициента. Полимер обладающий адекватной проводимостью, при воздействии на него чрезмерного тока, будет греться и приобретать резистивные свойства. Тем самым он противодействует прохождению тока и обеспечивает защиту от КЗ. Когда температура придёт в норму, полимер возвратит своё качество проводника.
Много источников питания цилиндрического типа имеют в своём распоряжении функцию сброса давления. В самой простой вариации она реализована в виде уплотнительной мембраны, которая должна разорваться под воздействием высокого давления. Однако после разрыва этой мембраны начнёт вытекать электролит, что повлечёт за собой высыхание батарейки. Во избежание подобного недоразумения было создано повторно закрывающееся отверстие в виде клапана.
Есть такие экземпляры Li-ion АКБ, в которых клапан состыкован с электронным предохранителем, подающим клапану сигнал на сброс давления когда оно достигает критических значений. На изображении приведённом далее, продемонстрировано поперечное сечение Li-ion компонента цилиндрической разновидности.
Преимущества цилиндрической формы:
✅ простота в изготовлении;
✅ достойная механическая устойчивость;
✅ выдерживают большое внутреннее давление не деформируясь при этом;
✅ хорошие циклические возможности;
✅ продолжительный срок эксплуатации;
✅ относительно высокие показатели надёжности и безопасности;
✅ экономичность (данный формат один из самых недорогих в производстве при пересчёте на цену ватт-часа).
Недостатки цилиндрической формы:
⛔ большая масса;
⛔ не высокая плотность размещения по причине пустот между аккумуляторными компонентами.
Где используются
Цилиндрические накопители электроэнергии применяются в основном в электрическом инструменте, медоборудовании, ноутбуках и вело на электротяге.
Для наиболее полного удовлетворения запросов, производители могут выпускать компоненты с параметрами, кратными стандартным. К примеру, длина может быть в половину либо в 1/3 от номинала. Такие манёвры касаются в основном никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов.
Кое-какие электротехнические системы обусловили появление своего собственного формата. Так, большая часть Li-ion элементов, производится в форм-факторе 18650. Данный размер применяется в электроинструменте, медприборах, портативных компьютерах и электровелосипедах. Имеет место и похожий на 18650, размер 26650, который по длине такой же, но в диаметре достигает 26-ти миллиметров.
Ранние версии 18650 предлагали пользователям ёмкость 2,2 Ah, затем появились модификации обладающие показателем 2,8 Ah. Ёмкость же современных изделий формата 18650 доходит до 3,4 Ah, при том, что разработчики постоянно трудятся над её увеличением.
Однако, не всё так радужно для цилиндрических батарей. Имеет место тенденция перехода к плоской форме электронакопителей. Такое положение дел продиктовано популярностью мобильных девайсов, которые нуждаются в плоских АКБ. График падения спроса на 18650 можно посмотреть на приведённом изображении.
Как видим, 2011 год оказался для производителей 18650 весьма удачным — они тогда сорвали куш, что называется. Обоснованное увеличение производства плоских аккумуляторных батарей, сбросило спрос на 18650. Но в то же время, этот популярнейший формат держит на плаву электротранспорт. Возьмём ту же Теслу: на электромобилях данного производителя стоят аккумуляторы 18650.
Более крупный коллега с размерами 26650, не завоевал такой популярности и на это есть свои причины — сложность изготовления и ограничения в применении из-за большего диаметра. 26-миллиметровые батарейки обслуживают в основном крупные системы с серьёзными нагрузочными характеристиками.
Забыли старые добрые свинцово-кислотные источники энергии? Я напомню! Они также, в некоторых случаях, имеют цилиндрическое исполнение. Hawker Cyclon — данные цилиндры предлагают потребителям улучшенную стабильность, высокие разрядные свойства и лучшую термическую устойчивость, в сравнении с обыкновенной призматической разновидностью. Hawker Cyclon кстати, выделяется своим собственным типоразмером.
Наверняка, многих интересует вопрос — как так, при округлой форме, которая не даёт возможность занимать всё доступное пространство, литий-ион 18650 завоевал такую популярность у потребителей? Тут всё просто на самом деле получается: Li-ion 18650 имеет в своём распоряжении более высокую энергетическую плотность, это если сравнивать с Li-ion призматической либо бескорпусной разновидности.
Сравниваем: 18650 с показателем ёмкости 3 Ah демонстрирует 248 Вт/кг, а продвинутый бескорпусный компонент — 140 Вт/кг. Вот вам и ответ на вопрос… Увеличенная плотность энергии цилиндра нивелирует неэффективное использование свободного пространства между элементами, которое, в то же время, можно расценить как дополнительные возможности для охлаждения аппаратуры.
Разрушение цилиндрического компонента не всегда есть возможность предотвратить, однако распространение данного процесса вполне реально держать под контролем. Чтобы при разрушении один компонент не повреждал другие, они часто находятся на требуемом расстоянии друг от друга. Подобная схема позволяет обеспечить нормализацию общего температурного режима.
Цилиндрические системы не меняются в размерах когда их неправильно эксплуатируют. А вот к примеру 5-миллиметровый аккумулятор призматического исполнения может расшириться до 8 миллиметров, что чревато негативными последствиями для девайса, который им обслуживается.
Кнопочная (таблеточная) форма
Данная разновидность аккумуляторов обладает весьма скромными размерами, а пик её популярности можно было наблюдать в 80-х годах прошлого столетия. Высокие показатели напряжения достигались таким образом: «таблетки» накладывали друг на друга в виде трубки. Кнопочный форм-фактор можно было найти в мобильных телефонах, медаппаратуре, ручных металлодетекторах в аэропортах и в некоторых других устройствах.
Такие положительные качества как миниатюрность и дешевизна не помогли в конкурентной борьбе с другими типами электронакопителей. В лидеры вышли более привычные форматы.
Минусы кнопочных батареек такие:
⛔ деформация, причиной которой является неправильный зарядный процесс;
⛔ долгая зарядка, около 10-16 ч;
⛔ низкая безопасность, так как нет отверстий для обеспечения вентиляции.
Такие недостатки мало какому юзеру по душе придутся, радует одно, над этим форм-фактором не покладая рук трудятся специалисты и их результат, должен, как предполагается, исправить приведённые выше недоработки.
Большинство «таблеток» выпускаемых сегодня нельзя перезаряжать, а применяются они в медимплантантах, слуховой аппаратуре, брелках сигнализаций, системах обеспечения резервного копирования памяти.
На схеме ниже можно посмотреть как устроена «таблетка»:
Такие элементы в большинстве случаев первичные и используются по одиночно.
Важно! Прячьте миниатюрные кнопочные батарейки подальше от детей. Если такая «таблеточка» попадёт внутрь организма, то серьёзных проблем со здоровьем избежать скорее всего не удастся.
Призматическая форма
Была придумана в начале 90-х годов и такие конструкции лучше всего подходят для мобильников, планшетов и ноутбуков. Средний показатель ёмкости накопителей электроэнергии колеблется в пределах 800-4000 mAh. Единого универсального формата нет, каждый разработчик предпочитает те размеры, которые выгодней ему больше всего.
Выпускают призму и в довольно большом исполнении. Такие изделия заряжают в цельный алюминиевый корпус, и в сумме они выдают 20-50 Ah. Призматический форм-фактор применяют в основном в гибридах и средствах передвижения оборудованных электротягой. Обслуживают они и другие электрические силовые установки.
Поперечное сечение призматического электроаккумулятора:
Преимущества призматических АКБ:
✅ объём девайса обслуживаемого данным типом аккумулятора, будет использован более рационально;
✅ можно выбирать разные размеры, что позволяет выгодно использовать пространство девайса.
Недостатки призматического типа:
⛔ более дорогие в изготовлении;
⛔ больше подвержены температурному воздействию;
⛔ меньше служат чем цилиндрические аккумуляторы;
⛔ в процессе работы могут набухать.
Чтобы обеспечить противостояние внутреннему давлению, призматические АКБ должны иметь в своём распоряжении крепкий корпус. В принципе, такие систему могут немного увеличиваться в размерах, но ничего страшного в данном обстоятельстве нет — это естественное явление. К примеру, призматический аккумулятор толщиной 5 миллиметров, по прошествии 500 рабочих циклов может расшириться до 8 миллиметров. Но в то же время, если расширение наносит гаджету вред, то придётся устанавливать новый аккумулятор.
Бескорпусная разновидность
Этот форм-фактор был представлен в 1995 году и нужно сказать, потребители были крайне удивлены данным изобретением! Бескорпусные АКБ — это не сложное, гибкое и лёгкое инженерное решение. Однако очень важно правильно его эксплуатировать.
Бескорпусный тип позволяет использовать батарейный отсек девайсов по максимуму. Эффективность достигает показателя в 90-95%. По этой характеристике бескорпусное исполнение обходит все существующие сегодня источники питания. Конечно, отсутствие корпуса снижает массу оборудования, но с ним придётся обращаться крайне бережно.
Бескорпусные АКБ применяются в потребительской сфере, автомобильной и военной промышленности. У них нет единого стандарта, каждый разработчик придумывает свои личные. В аккумуляторах без корпуса в большинстве случаев используют Li-Po химию.
Бескорпусные батарейки широко применяются в портативных гаджетах, где имеют место высокие токи нагрузки. За пример можно взять беспилотные летательные устройства. Электронакопители ёмкостью от 40 Ah, можно найти в энергонакопительных системах. Там нужно сокращать количество компонентов посредством повышения ёмкости отдельного компонента.
Данные элементы удобны для совместного компактного использования, но нужно учитывать, что они будут набухать по ходу эксплуатации. Компоненты без корпуса обладающие скромными габаритами могут увеличиваться на 5-10 процентов за 500 рабочих циклов, изделия побольше крупнеют на столько же, только происходит это за 5 тыс. циклов.
Такие составляющие лучше не размещать друг на друге, благоразумнее будет организовать их установку бок о бок, оставив между ними излишки пространства. Кроме того, недопустимо размещать элементы возле острых краёв, которые могут нанести расширившемуся компоненту ущерб.
Если источник энергии не обладающий корпусом расширится сверх допустимого предела, это может повлиять не безопасность оборудования. Такое давление вполне может сломать крышку аккумуляторного отсека или что ещё хуже, нанести урон экрану устройства либо его платам. Вздутый элемент питания, содержит внутри газ, который в случае приближения к источнику тепла может запросто воспламениться.
Откуда берётся это злополучное набухание? Внутреннее газообразование — вот что приводит к таким печальным последствиям. Но, технический прогресс на месте не стоит: профессора работают над уменьшением эффекта вздутия бескорпусных батарей. Если говорить о том, какие бескорпусные АКБ «дуются» меньше всего, то это элементы больших размеров.
При создании, давление внутри бескорпусных электроаккумуляторов налаживается посредством временного подсоединения дополнительной газовой оболочки. В процессе самой первой зарядки газы переместятся в это временное вместилище, понижая тем самым нагрузку на оболочку батареи.
Следующим этапом является запечатывание заряженного электронакопителя, а последующие зарядки уже не будут приводить к повышенному образованию газов. Если такой тип аккумулятора расширился по ходу эксплуатации в гарантированный период срока службы, то вам просто не повезло — скорее всего вы приобрели товар, при производстве которого не был соблюдён описанный выше технологический процесс.
В общем и целом, бескорпусные, а также призматические источники энергии имеют бОльшие перспективы по сравнению с классическим цилиндрическим исполнением. Цилиндры формата 18650 сейчас стоят меньше, но батареи без корпуса и призматические разновидности также удешевляются.
Плоская форма электронакопителей становится с каждым годом более конкурентоспособной и специалисты делают ставку на увеличение её доли на рынке. Так уж сложилось, что в производстве бескорпусные и призматические АКБ более дорогие по сравнению с цилиндрами, однако ценники должны постепенно выровняться.
Заключение
Конечно, у каждой технологии присутствуют свои преимущества и недостатки, итог которым мы будем подводить далее.
✔ Элементы цилиндрической формы обладают большим показателем удельной энергии и достойной механической стабильностью. Кроме того, данные изделия очень хорошо подходят для автоматизированного производства. Цилиндры в отличие от других форматов, предлагают пользователям более высокую безопасность. Нельзя не отметить и приличные циклические характеристики, продолжительный срок эксплуатации и доступную широким массам себестоимость. К недостаткам можно отнести низкую плотность размещения компонентов. Больше всего цилиндры применяются в портативных устройствах.
✔ Призматическая форма помещается в корпус изготовленный из алюминия либо стали — так разработчики обеспечивают лучшую стабильность. Многослойная батарейная система больших размеров составленная из призматических компонентов, использует предоставленное её пространство более рационально, по сравнению с цилиндрическими АКБ, но в то же время, она и стоит дороже. Современные призматические накопители обслуживают электромоторы и системы хранения энергии.
✔ Отличие бескорпусных изделий от призматических заключается в отсутствии традиционной защитной оболочки. Именно поэтому они меньше весят и меньше стоят, однако являются более уязвимыми для воздействий влаги и высоких температурных режимов, что в свою очередь может сократить срок их службы. Бескорпусные аккумуляторы невыгодно увеличиваются в размерах по причине разбухания. Этот показатель доходит до уровня 8-10% после 500 рабочих циклов. Бескорпусные источники питания неуклонно набирают популярность и отбирают у своих конкурентов места на рынке.
Почти способен синтезировать обратный захват серотонина.
