با توسعه سریع وسایل نقلیه انرژی جدید در سال های اخیر، باتری های لیتیوم یون نیز محبوب شده اند. باتریهای لیتیومی برقی همیشه یکی از حوزههای مهم وسایل نقلیه با انرژی جدید بودهاند، و هر کسی که بر باتریهای لیتیوم برق تسلط داشته باشد، بر وسایل نقلیه انرژی جدید تسلط پیدا میکند. در بین باتری های لیتیومی قدرتمند، چشم نوازترین باتری لیتیوم یونی است.
چگالی انرژی باتری لیتیوم یونی بسیار بالا است، ظرفیت آن 1.5 ~ 2 برابر باتری NiMH با همان وزن است و سرعت خود تخلیه بسیار پایینی دارد. علاوه بر این، باتریهای لیتیوم یونی تقریباً هیچ اثر حافظه و هیچ ماده سمی ندارند. این مزیت های باتری های لیتیوم یونی باعث می شود که آنها به طور گسترده در زمینه وسایل نقلیه با انرژی جدید مورد استفاده قرار گیرند.
باتری های لیتیوم یون استوانه ای که امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند شامل 18650 باتری و 21700 باتری است.
باتری 18650:
باتریهای 1865{10}} در ابتدا به باتریهای هیدروژن نیکل و باتریهای لیتیوم یونی اشاره میکردند، اما از آنجایی که باتریهای هیدروژن نیکل اکنون کمتر مورد استفاده قرار میگیرند، اکنون بیشتر به باتریهای لیتیوم یونی اشاره میکنند. 18650 یک مدل استاندارد باتری لیتیوم یونی است که توسط شرکت ژاپنی SONY، جد باتری های لیتیوم یونی، به منظور صرفه جویی در هزینه ها ایجاد شده است. در میان آنها، 18 نشان دهنده قطر 18 میلی متر، 65 نشان دهنده طول 65 میلی متر، و 0 نشان دهنده یک باتری استوانه ای است. باتری های رایج 18650 شامل باتری های لیتیوم یون سه تایی و باتری های فسفات آهن لیتیوم است.
وقتی صحبت از باتری های 18650 می شود، باید به تسلا اشاره کرد. در طول توسعه باتری های خودروهای الکتریکی، تسلا انواع بسیاری از باتری ها را آزمایش کرد، اما در نهایت بر روی 18650 باتری متمرکز شد و از سلول های 18650 به عنوان مسیر فنی برای باتری های خودروهای الکتریکی انرژی جدید استفاده کرد. می توان گفت دلیل اینکه تسلا عملکردی مشابه خودروهای سوختی سنتی دارد، نه تنها به دلیل فناوری موتور الکتریکی آن، بلکه به لطف فناوری باتری پیشرفته تسلا است. پس چرا تسلا باتری های 18650 را به عنوان منبع تغذیه خود انتخاب کرد؟
فرآیند بالغ و سازگار
باتری 18650 قبل از ورود به حوزه وسایل نقلیه با انرژی جدید، به طور گسترده در محصولات الکترونیکی استفاده می شد و آن را به اولین، بالغ ترین و پایدارترین باتری لیتیوم یونی تبدیل می کرد. پس از سال ها انباشت تجربه مرتبط، تولید کنندگان ژاپنی فناوری پیشرفته انباشته شده توسط باتری 18650 را در محصولات مصرفی در زمینه باتری های خودرو به کار برده اند. پاناسونیک یکی از بزرگترین شرکت های جهان در زمینه فناوری و مقیاس باتری است. در مقایسه با سایر سازندگان، کمترین ایرادات محصول و مقیاس بزرگتر را دارد که انتخاب باتری های با قوام خوب را آسان می کند.
در مقابل، باتریهای دیگر، مانند باتریهای لیتیوم یون پشتهای، از بلوغ کافی فاصله دارند و بسیاری از محصولات را نمیتوان از نظر اندازه یکسان کرد، و فرآیندهای تولیدی که تولیدکنندگان باتری در اختیار دارند، نمیتوانند شرایط را برآورده کنند. به طور کلی، قوام باتری ها نمی تواند به سطح باتری 18650 برسد. اگر قوام باتری ها نتواند الزامات را برآورده کند، مدیریت بسته های باتری که توسط تعداد زیادی باتری به صورت سری یا موازی تشکیل شده اند، اجازه عملکرد بهتر هر باتری را نمی دهد و سلول باتری 18650 می تواند به طور موثر این مشکل را حل کند.
عملکرد ایمنی بالا
باتری های لیتیوم یون 18650 عملکرد ایمنی بالایی دارند، منفجر نمی شوند و نمی سوزند. غیر سمی، بدون آلودگی، دارای گواهی علامت تجاری RoHS. و مقاومت خوبی در برابر دمای بالا دارد، با راندمان تخلیه 100 درصد زیر 65 درجه سانتیگراد.
باتریهای 18650 معمولاً در پوستههای فولادی بستهبندی میشوند که میتواند وقوع حوادث ایمنی را به حداقل برساند و ایمنی را در موقعیتهای شدید مانند تصادف خودرو بهبود بخشد. علاوه بر این، اندازه هر سلول باتری در 18650 کوچک است، و اجازه می دهد تا انرژی هر سلول در محدوده کوچکی کنترل شود. در مقایسه با استفاده از سلولهای باتری با اندازه بزرگ، حتی اگر یکی از سلولهای بسته باتری از کار بیفتد، میتوان تاثیر خرابی را کاهش داد.
ظرفیت باتری های لیتیوم یونی 18650 به طور کلی بین 1200 و 3600 میلی ساعت است، در حالی که ظرفیت باتری کلی تنها حدود 800 میلی ساعت است. اگر در یک بسته باتری لیتیوم یون 18650 ترکیب شود، بسته باتری لیتیوم یون 18650 می تواند از 5000 میلی ساعت فراتر رود. ظرفیت آن 1.5 تا 2 برابر باتری نیکل هیدروژنی با همین وزن است و سرعت خود تخلیه بسیار پایینی دارد. چگالی انرژی سلول باتری 18650 در حال حاضر می تواند به سطح 250Wh/kg برسد که نیازهای برد بالای تسلا را برآورده می کند.
کم هزینه و مقرون به صرفه بودن بالا
عمر مفید باتریهای لیتیوم یونی 18650 بسیار طولانی است، با عمر چرخهای بیش از 500 بار در طول استفاده معمولی، که بیش از دو برابر باتریهای معمولی است. محصول 18650 از بلوغ تکنولوژیکی بالایی برخوردار است، از جمله طراحی سازه، فناوری ساخت، تجهیزات ساخت و فناوری ماژول مشتق شده 18650 که همگی هزینه های عملیاتی و نگهداری آن را کاهش داده اند.
باتری 18650 که در حال حاضر به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، سابقه توسعه چندین ساله دارد. اگرچه فناوری آن در مقایسه با انواع دیگر باتری ها نسبتاً بالغ است، اما همچنان با مشکلاتی مانند تولید حرارت بالا، گروه بندی پیچیده و عدم توانایی در دستیابی به شارژ سریع مواجه است. در این زمینه، 21700 باتری سه تایی استوانه ای ظاهر شد.
21700 باتری:
باتری 21700 مدل باتری استوانه ای است، به طور خاص به این اشاره دارد: 21 به قطر خارجی باتری استوانه ای 21 میلی متر اشاره دارد. 700 به یک باتری استوانه ای با ارتفاع 70.0 میلی متر اشاره دارد.
این مدل جدیدی است که برای برآورده کردن الزامات وسایل نقلیه الکتریکی برای برد طولانی تر و بهبود استفاده موثر از فضای باتری خودرو توسعه یافته است. در مقایسه با باتری لیتیوم یونی استوانه ای 18650، ظرفیت 21700 را می توان با استفاده از همان ماده بیش از 35 درصد افزایش داد.
21700 جدید چهار مزیت قابل توجه دارد:
(1) افزایش 35 درصدی ظرفیت باتری فردی. با در نظر گرفتن باتری 21700 تولید شده توسط تسلا به عنوان مثال، پس از تغییر از مدل 18650 به مدل 21700، ظرفیت باتری تک باتری می تواند به 3-4 برسد. 8Ah، به طور قابل توجهی 35 درصد افزایش یافته است.
(2) چگالی انرژی سیستم باتری حدود 20 درصد افزایش یافته است. طبق دادههای فاش شده توسط تسلا، چگالی انرژی سیستم باتری 18650 مورد استفاده در مراحل اولیه حدود 250 وات ساعت بر کیلوگرم بود. بعدها، چگالی انرژی سیستم باتری 21700 تولید شده توسط تسلا حدود 300 وات ساعت بر کیلوگرم بود و چگالی انرژی حجمی باتری 21700 تقریباً 20 درصد بیشتر از مدل اصلی 18650 بود.
(3) انتظار می رود هزینه سیستم حدود 9 درصد کاهش یابد. بر اساس تجزیه و تحلیل اطلاعات قیمت باتری فاش شده توسط تسلا، سیستم باتری لیتیوم یونی برای باتری های 21700 با قیمت 170 دلار در هر وات ساعت، در حالی که سیستم باتری 18650 با قیمت 185 دلار در وات ساعت است. پس از استفاده از 21700 باتری در مدل 3، هزینه سیستم باتری به تنهایی تقریباً 9 درصد کاهش می یابد.
(4) انتظار می رود وزن سیستم حدود 10 درصد کاهش یابد. حجم کلی 21700 بیشتر از 18650 است. با افزایش ظرفیت هر سلول، چگالی انرژی سلول ها افزایش می یابد. بنابراین، تعداد سلول های باتری مورد نیاز با همان انرژی را می توان حدود 1/3 کاهش داد. این نه تنها دشواری مدیریت سیستم را کاهش می دهد، بلکه تعداد اجزای ساختاری فلزی و لوازم جانبی الکتریکی مورد استفاده در بسته باتری را کاهش می دهد و وزن باتری را بیشتر کاهش می دهد. پس از اینکه سامسونگ SDI به مجموعه جدیدی از باتری های 21700 روی آورد، مشخص شد که این سیستم وزن خود را 10 درصد نسبت به باتری فعلی کاهش داده است.
قابلیت اطمینان بالا و عملکرد پایدار باتری 18650 حفظ شده است و عملکرد باتری 21700 نسبت به 18650 در همه جنبه ها به طور قابل توجهی بهبود یافته است. علاوه بر این، در مقایسه با سایر مدلهای باتری، 21700 از نظر انتخاب مواد اولیه، فرآیند ساخت و فرآیند فنی مشابه باتری بالغتر 18650 است. بنابراین اکثر خطوط تولید 18650 و 21700 با هم سازگاری دارند و برخی از شرکت ها با نوشتن مقاله در خط تولید و نزدیکتر کردن آن به سازگاری 21700 و 18650 در این امر ثبات بیشتری دارند.
پیگیری انرژی ویژه بالا برای باتریهای لیتیومی به یک روند غیرقابل برگشت تبدیل شده است و بسیاری از شرکتهای باتری توجه خود را به طرحبندی باتریهای 21700 معطوف کردهاند. برخی از شرکت ها خطوط تولید خود را از خارج وارد می کنند، اما خودشان آنها را مونتاژ می کنند، بنابراین می توانند هزینه کمتری را برای تبدیل از 18650 به 21700 سرمایه گذاری کنند.