Что такое форм фактор батареи
На Токе заряженный портал
Форм-факторы аккумуляторных батарей — На токе
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
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:
⛔ 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.
Батарейки AA, AAA, D, C, A23, CR2032, LR44, Крона 9В – что это значит?
↑ следующая новость | предыдущая новость ↓
Батарейки и аккумуляторы, это весьма востребованный продукт. Разобраться во всём многообразии элементов питания не представляется возможным, поскольку существует множество стандартов, общепринятых названий и других сложностей. Обычно, если в одном из ваших устройств села батарейка, вы извлекаете её и идете покупать новую батарейку. В большинстве случаев в вашем будильнике, пульте от телевизора, беспроводном звонке, настенных часах используются популярные пальчиковые и мизинчиковые батарейки, которые также называют AA и AAA. Но для питания брелока сигнализации, наручных часов, калькулятора, фонарика, машинок на радиоуправлении и других устройств могут использоваться менее популярные батарейки или аккумуляторы (аккумуляторные батарейки), найти которые не так-то просто. Такие батарейки могут называться по-разному в зависимости от производителя и химического состава. Продавцы батареек могут использовать общепринятые названия, а также названия типов батареек по стандартам IEC или ANCI.
Мы решили упростить задачу тем, кто собирается купить батарейки на замену севшим, а также рассказать о принципах стандартизации по химическому составу, форме и размеру батареек или аккумуляторов.
Европейский стандарт IEC является наиболее близким для России, а также более популярным, чем американский стандарт ANCI, хотя некоторые общепринятые название батареек появились именно из этого стандарта.
Для начала рассмотрим принцип построения названия батареек по стандарту IEC. Для этого обратимся к следующей схеме:
Итак, неизменная часть названия батареек по стандарту IEC, это химический состав, форма и размеры (диаметр или код размера). Ознакомимся с химическим составом батареек с помощью следующей таблицы:
| Обозначение | Отрицательный электрод (катод) | Электролит | Положительный электрод (анод) | Номинальное напряжение | Максимальное напряжение | Общепринятые названия батареек |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (без обозначения) | Цинк | Хлорид аммония, хлорид цинка | Диоксид марганца | 1.5 В | 1.725 В | Цинк-карбон, Угольно-цинковые, Солевые батарейки |
| A | Цинк | Хлорид аммония, хлорид цинка | Кислород | 1.4 В | 1.55 В | Воздушно-цинковый (Zinc-Air battery) |
| B | Литий | Органический электролит | Углерод монофторид | 3.0 В | 3.7 В | Литиевые батарейки |
| C | Литий | Органический электролит | Диоксид марганца | 3.0 В | 3.7 В | |
| E | Литий | Неорганический электролит | Тионилхлорид | 3.6 В | 3.9 В | |
| F | Литий | Органический электролит | Дисульфид железа | 1.5 В | 1.83 В | |
| G | Литий | Органический электролит | Оксид двухвалентной меди | 1.5 В | 2.3 В | |
| L | Цинк | Гидроксид щелочного металла | Диоксид марганца | 1.5 В | 1.65 В | Алкалиновые батарейки, щёлочно-марганцевые, щелочные батарейки |
| M (в настоящее время не используется) | Цинк | Гидроксид щелочного металла | Оксид ртути | 1.35 В | Ртутные батарейки, ртутно-цинковые (Mercury battery) | |
| N (в настоящее время не используется) | Цинк | Гидроксид щелочного металла | Оксид ртути, Диоксид марганца | 1.4 В | ||
| P | Цинк | Гидроксид щелочного металла | Кислород | 1.4 В | 1.68 В | Воздушно-цинковые батарейки, щелочные батарейки (Zinc-Air battery) |
| S | Цинк | Гидроксид щелочного металла | Оксид серебра | 1.55 В | 1.63 В | Оксид-серебряные батарейки, щелочные батарейки |
| Z | Цинк | Гидроксид щелочного металла | Диоксид марганца, Никель оксигидроксид | 1.5 В | 1.78 В | Никель-цинковые, окси-алкалиновые, никель-оксигидроксидные батарейки |
По таблице видно, откуда взялись популярные названия угольно-цинковых, литиевых и щелочных батареек. Теперь разберёмся с формой батареек:
Коды батареек по форме.
R – круглые (от английского слова Round). Суда входят батарейки цилиндрической формы (AA, AAA, C, D) и батарейки таблетки (LR44, CR2032). Это самый распространённый тип элементов питания.
P – не круглые (не распространённый тип)
F – плоские с послойным построением (практически не используется)
S – в форме прямоугольной или призматической площадки (практически не используется)
Диаметр или код размера. Если после обозначения формы идет одна или две цифры и больше ничего – то это обозначение кода размера. Рекомендуемые коды размеров смотрите в таблице 3. Если за обозначением формы идёт 4 или более цифр, то указан точный размер батарейки (диаметр в миллиметрах и высота в десятых долях миллиметра). Например, CR2032 означает: 20 мм в диаметре и 3.2 мм в высоту. Если за диаметром идет знак “/” значит, батарейка по одному из измерений больше 100 мм, поэтому её высота будет обозначена в миллиметрах, а не в десятых долях.
Кстати, диаметр не круглых батареек обозначает диаметр вписанной окружности.
Однако стандартом IEC для круглых батареек предусмотрены и неподходящие под размеры и коды (по таблице 3) обозначения, которые были приняты для удобства использования. Вот самые популярные из таких обозначений:
Таблица 2: Коды размеров круглых батареек, не подходящие под основные номенклатурные коды размеров элементов питания
| Код | Диаметр | Высота | Самое популярное название батареек |
| R25 | 32 | 91 | F |
| R20 | 34.2 | 61.5 | D |
| R14 | 26.2 | 50.0 | C |
| R6 | 14.5 | 50.5 | AA |
| R1 | 12.0 | 30.2 | N |
| R03 | 10.5 | 44.5 | AAA |
Таблица 3: Коды для обозначения рекомендованных размеров элемента питания
| Код размера | Рекомендуемый максимальный диаметр | Рекомендуемая максимальная высота |
| 4 | 4.8 | |
| 5 | 5.8 | |
| 6 | 6.8 | |
| 7 | 7.9 | |
| 9 | 9.5 | |
| 10 | 10.0 | |
| 11 | 11.6 | |
| 12 | 12.5 | 1.20 |
| 16 | 16 | 1.60 |
| 20 | 20 | 2.00 |
| 23 | 23 | |
| 24 | 24.5 | |
| 25 | 2.50 | |
| 30 | 3.00 | |
| 36 | 3.60 | |
| 50 | 5.00 |
Как видите, очень непросто разобраться в обозначении батареек, поэтому следующая таблица покажет наглядно, как могут обозначаться популярные батарейки по разным стандартам и общепринятым обозначениям. Также будут указан размеры батареек, их номинальное напряжение и ёмкость.
Разнообразие форм электрических батарей
Первые серийно выпускаемые электрические батареи имели цилиндрическую форму корпуса. Такую форму имел типоразмер F, введенный в 1896 году для фонарей, и типоразмер D, разработанный в 1898 году. Наметившаяся тенденция к уменьшению размеров элемента, привела к созданию новых типоразмеров С и АА, которые были введены в 1900 и 1907 году соответственно, и также имели цилиндрическую форму. (Смотрите: Обзор старых и новых типоразмеров электрических батарей).
1. Цилиндрический тип
Цилиндрический тип формы продолжает оставаться одним из самых широко используемых типов корпуса для первичных и вторичных батарей. Преимуществами такой формы является простота изготовления и хорошая механическая устойчивость. Трубчатый цилиндрический корпус может выдерживать высокое внутреннее давление без деформации.
Большинство литиевых и никелевых цилиндрических батарей имеют функцию переключателя положительного теплового коэффициента. При воздействии чрезмерного тока, нормально проводящий полимер нагревается и становится резистивным, препятствуя движению тока и действуя в качестве защиты от короткого замыкания. После нормализации температуры полимер возвращает свое состояние проводника.
| OPzS | NI-CD | OPzV |
 |  |  |
| 20 лет / 1500 циклов | 25 лет / 2000 циклов | 20 лет / 1500 циклов |
| для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д. | ||
Большинство цилиндрических батарей также имеют функцию сброса давления, которая в простейшем варианте реализована как уплотнительная мембрана, разрывающаяся под действием высокого давления. Но после разрыва такой мембраны может произойти вытекание электролита и, как следствие, высыхание батареи, поэтому было разработано повторно закрывающееся отверстие в виде клапана. В некоторых литий-ионных аккумуляторах такой клапан сброса давления соединяется с электронным предохранителем, который дает команду клапану сбрасывать давление при небезопасном его значении. На рисунке 1 показано поперечное сечение цилиндрического элемента.
Рисунок 1: Поперечное сечение цилиндрического литий-ионного элемента. Цилиндрическая конструкция корпуса предлагает хорошие циклические характеристики, долгий срок жизни и экономичность, но имеет недостатки в виде тяжелого веса и низкой плотности размещения из-за пустого пространства между элементами.
В 2013 году было произведено 2,55 миллиардов элементов типоразмера 18650. Ранние версии таких элементов имели емкость 2,2 Ач, позже они сменились улучшенными версиями с емкостью 2,8 Ач. Современные элементы имеют емкость 3,1 Ач, а к 2017 году ее планируют увеличить до 3,4 Ач. В более долгосрочной перспективе производители ожидают улучшение емкости до 3,7 Ач.
| AGM Deep Cycle | GEL Deep Cycle | Литиевые (LiFePO4) |
 |  |  |
| 10 лет / 400 циклов | 10 лет / 500 циклов | 20 лет / 2200 циклов |
| универсальное применение | для циклических разрядов | для частых глубоких разрядов |
Типоразмер 18650 является одним из самых удачных, элементы этого формата одни из самых дешевых в производстве при перерасчете на стоимость ватт-часа, а также имеют хорошие показатели надежности и безопасности. Но поскольку существует тенденция перехода к плоской форме аккумуляторов, вызванная популярностью мобильных телефонов и планшетов, спрос на 18650 уменьшается, что показано на рисунке 3. Но большим подспорьем для этого типоразмера стало увеличение интереса к электротранспорту, и в частности, к электромобилям компании Tesla, которые как раз и используют в своих аккумуляторных системах элементы типоразмера 18650.
Рисунок 3: График спроса и предложения на элементы типоразмера 18650. Спрос на 18650 достиг пика в 2011 году. Переход к плоской конструкции в потребительских устройствах снизило спрос на этот типоразмер.
Другой типоразмер для литий-ионной системы 26650 имеет диаметр 26 мм. Он не такой популярный, как 18650, так как более сложен в производстве и его использование накладывает ограничения из-за большего диаметра. 26650 в основном используется в больших системах с высокими нагрузочными характеристиками.
Некоторые свинцово-кислотные системы также используют цилиндрический тип формы. Известные как Howker Cyclone, эти элементы имеют улучшенную стабильность, более высокие разрядные характеристики и лучшую температурную стабильность по сравнению с обычным призматическим типом формы. Howker Cyclone имеет свой собственный типоразмер.
Даже при том, что цилиндрические элементы не в полной мере используют пространство из-за низкой плотности размещения, элемент типоразмера 18650 имеет более высокую плотность энергии по сравнению с литий-ионным элементом призматического или бескорпусного типа. 18650 с емкостью 3 Ач предоставляет 248 Вт/кг, тогда как современный бескорпусный элемент имеет показатель 140 Вт/кг. Более высокая плотность энергии цилиндрического элемента компенсирует наличие свободного пространства, которое, в свою очередь, может быть использовано для охлаждения.
Разрушение элемента не всегда можно предотвратить, но распространение этого процесса можно контролировать. Для этого цилиндрические элементы часто разнесены друг от друга, чтобы разрушение одного элемента не повредило другой. Такое разнесение также помогает и в нормализации общей температуры. К тому же, цилиндрическая конструкция не меняет своего размера при неправильной эксплуатации. К примеру, 5 мм элемент призматической формы может расшириться до 8 мм и повредить устройство, где он установлен.
2. Кнопочный (таблеточный) тип
Большинство кнопочных элементов сегодня являются неперезаряжаемыми и используются в медицинских имплантантах, часах, слуховых аппаратах, брелоках сигнализации и в системах обеспечения резервного копирования памяти. На рисунке 4 показан таблеточный элемент и его поперечное сечение.
Внимание! Держите кнопочные элементы в недоступном для детей месте. Попадание внутрь организма может вызвать серьезные проблемы со здоровьем. Смотрите: Влияние электрохимических батарей на здоровье человека.
Рисунок 4: Кнопочные элементы имеют небольшой размер, большинство из них являются первичными и используются поодиночно.
3. Призматический тип
Разработанный в начале 1990-х, современный призматический тип корпуса батареи призван заполнить форм-фактор тонких источников питания. Такие элементы преимущественно используются в мобильных телефонах, планшетах и ноутбуках. Емкость в среднем составляет от 800 до 4000 мАч. Единого универсального формата не существует, каждый производитель выбирает габаритные размеры исходя из своих потребностей.
Призматический тип также бывает доступен и в довольно больших размерах. Упакованные в цельный алюминиевый корпус, емкостью 20-50 Ач, такие аккумуляторные батареи в основном используются в гибридных и электрических транспортных средствах, а также для других электрических силовых агрегатов. На рисунке 5 показан призматический тип элемента питания.
Рисунок 5: Поперечное сечение призматического элемента. Призматический тип формы улучшает использование пространства и предлагает вариативность при выборе габаритных размеров, но элементы такого типа дороже в производстве, более подвержены температурному воздействию и имеют более короткий срок службы в сравнении с цилиндрическими элементами. Также они могут немного набухать в процессе эксплуатации.
Призматические элементы требуют наличия крепкого корпуса для противодействия внутреннему давлению. Некоторое увеличение размеров из-за внутреннего скопления газов является нормальным явлением. Например, элемент толщиной 5 мм может увеличиться до 8 мм после 500 циклов заряда/разряда. Но если это расширение затрудняет нахождение элемента в батарейном отсеке, его дальнейшую эксплуатацию необходимо прекратить, так это может привести к возникновению небезопасной ситуации.
4. Бескорпусный тип
В 1995 году, когда впервые был представлен бескорпусный тип элемента, общественность была крайне удивлена, увидев эту электрическую батарею. Вместо того, чтобы использовать классические решения и материалы, эта конструкция скорее напоминала запакованный в фольгу завтрак космонавта. На рисунке 6 показан элемент бескорпусного типа.
Рисунок 6: Бескорпусный элемент питания. Бескорпусный тип электрической батареи предлагает простое, гибкое и легкое конструктивное решение, но нуждается в правильной эксплуатации и обслуживании.
Элементы бескорпусного типа чаще всего используют литий-полимерную электрохимическую систему. Малоразмерные элементы популярны для портативных устройств, где требуется большие нагрузочные токи, например, для беспилотных летательных аппаратов. Большие элементы, емкостью от 40 Ач, используется в системах накопления энергии, где полезным оказывается конструктивное решение по уменьшению количества элементов путем увеличения емкости отдельного элемента.
Хотя такие элементы весьма удобны для компактного совместного использования, необходимо предусматривать возможность их физического расширения (набухания) в процессе эксплуатации. В то время как бескорпусные элементы небольшого размера могут увеличиться на 5-10 % в течение 500 циклов, большие увеличиваются на тот же процент за 5000 циклов. Лучше не размещать такие элементы друг на друге, гораздо правильнее будет установить их бок о бок, предусмотрев между ними дополнительное пространство. Также следует избегать размещения возле острых краев, которые могут повредить расширяющийся элемент.
Чрезмерное расширение бескорпусного элемента может негативно сказываться на аспектах безопасности. Создаваемое давление может сломать крышку батарейного отсека или даже повредить дисплей и электронные платы устройства. Вздувшиеся элементы небезопасны, внутри находится газ, который в случае непосредственной близости к источнику тепла или огня может воспламениться. На рисунке 7 показан набухший бескорпусный элемент.
Рисунок 7: Вздувшийся бескорпусный элемент питания. Расширение вызывается чрезмерным внутренним газообразованием. Ведутся разработки, которые позволят уменьшить этот эффект. Большие бескорпусные элементы меньше подвержены расширению.
При производстве внутреннее давление бескорпусного элемента налаживают с помощью временного присоединения дополнительной газовой оболочки. Во время первой зарядки газы перемещаются именно в этот временный резервуар, снимая нагрузку с оболочки элемента. Далее элемент, который уже заряжен, запечатывается; последующие зарядки уже не приводят к чрезмерному газообразованию. В случае, если ваш бескорпусный элемент расширился в период гарантированного срока службы, то дело скорее всего в несоблюдении вышеуказанного техпроцесса при его производстве.
Дальнейшее развитие и улучшение бескорпусных и призматических элементов имеют больший потенциал в сравнении с классическим цилиндрическим форматом. Конечно, пока стоимость цилиндрического типоразмера 18650 ниже, но прогнозируется постепенное удешевление производства бескорпусных и призматических элементов. Плоская конструкция аккумуляторной батареи становится все более конкурентоспособной, и эксперты прогнозируют увеличение ее доли на рынке. На рисунке 8 сравниваются цены различных типов элементов.
Рисунок 8: Цена литий-ионного элемента в различных форматах исполнения. Исторически сложилось, что затраты на производство призматических и бескорпусных элементов были выше в сравнении с цилиндрическими, но в последнее время существует тенденция к выравниванию стоимости. Цена включает в себя только стоимость производства элемента.
| Батарейный монитор | Защита от глубокого разряда | Батарейный балансир |
 |  |  |
| контроль более 25 параметров, история и синхронизация | защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки | для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения |
5. Итоги
Разработка бескорпусной технологии элементов позволила производителям упростить сам процесс производства, но у каждой технологии есть свои и достоинства, и недостатки, которые перечислены ниже.
Элементы призматического типа помещены в алюминиевый или стальной корпус для лучшей стабильности. Большая многослойная аккумуляторная система из призматических элементов более эффективно использует пространство, чем система из цилиндрических, но ее конечная стоимость выше. Современные призматические элементы используются для электрических силовых агрегатов и в системах хранения энергии.