Tout ce que vous devez savoir sur 18650

Qu'est-ce que la cellule de batterie 18650 ?

La batterie 18650 est probablement la plus polyvalente parmi les batteries lithium-ion, alimentant des applications allant des lampes torches aux voitures Tesla. Lancée dans les années 1990, c’est un vétéran parmi les batteries lithium-ion. Selon la nomenclature internationale des batteries, le numéro 18650 représente sa forme et ses dimensions. Ainsi, le 18650 est un accu cylindrique de 18 mm de diamètre et 65 mm de longueur.

Qui a lancé ce modèle de batterie ?

La première entreprise à lancer la production commerciale de la batterie 18650 fut Panasonic. Sur la page Web de l'historique de l'entreprise, vous pouvez voir que la batterie 18650 a été développée en 1994, en réponse à la demande du marché pour des batteries rechargeables plus petites et plus légères. Par rapport aux batteries jetables, ces batteries lithium-ion offrent des performances supérieures en raison de leur haute tension, de leur densité énergétique et de leur capacité plus élevées. Les accus 18650 se sont avérés être un succès et de nombreuses autres sociétés ont commencé à fabriquer ce modèle. Au fil des années, Panasonic a lancé de nouvelles versions du 18650, avec des capacités et des densités énergétiques améliorées. Des concurrents comme Samsung et LG Chem ainsi que des nouveaux venus comme Enpower et NanoGraf ont rejoint la mêlée en présentant leurs versions de la batterie 18650. La figure 1 compare les densités énergétiques des batteries 18650 fabriquées par différents fabricants.

Figure 1 Densité énergétique des batteries 18650 fabriquées par divers fabricants

18650 vs AA/21700/26650/18500/14500

Avant le modèle 18650, la pile de choix pour les petits appareils électriques et électroniques était la pile de taille AA. Conçu avant la première guerre mondiale, ce format est actuellement disponible dans une variété de modèles jetables et rechargeables, notamment les types Nickel et Lithium-ion. Jetable piles AA basés sur la chimie zinc-carbone ou alcaline sont très demandés pour une utilisation dans les lampes de poche, les appareils photo, les horloges, les calculatrices, les jouets et une foule d'autres gadgets d'usage quotidien.

Au cours des années 1990, les fabricants de batteries lithium-ion ont adopté une nomenclature numérique pour les tailles de batteries. De nombreux modèles plus grands et plus petits que le 18650 ont été lancés, pour capitaliser sur le boom des marchés de l'électronique personnelle, des outils électriques et des véhicules électriques. Les différentes batteries lithium-ion apparues à cette époque comprenaient les 21700/26650/18500/14500. Plusieurs de ces tailles ont été constamment améliorées au fil des ans. Le Panasonic 18650  à lui seul, il se décline dans une large gamme de modèles. En raison du chevauchement de leurs segments de marché, il est intéressant de comparer le 18650 avec les autres batteries Lithium-ion, comme le montre le tableau suivant :

 

Prénom Types de chimie Dimensions

(Diamètre x longueur)

tension nominale Compétences Cycle de vie
 AA

 

Jetable: Zinc Carbone, Alcalin 14.5 mm x 15 mm 1.5 400 2850 à XNUMX XNUMX mAh N'est pas applicable
Rechargeable:

Nickel Cadmium, Nickel Métal Hydrure, Nickel Zinc, Lithium ion.

 

14.5 mm x 15 mm Entre 1.2 et 3.6 600 2850 à XNUMX XNUMX mAh 500 à 1000 cycles
18650

 

Lithium Ion 18 mm x 65 mm 3.6 2000 3600 à XNUMX XNUMX mAh Entre 300 et 500
21700

 

Lithium Ion 21 mm x 70 mm 3.6 3000 5000 à XNUMX XNUMX mAh Entre 500 et 2000
26650

 

Lithium Ion 26 mm x 65 mm 3.6 5000 mAh 1500
18500 Lithium Ion 18 mm x 50 mm 3.6 1500 2200 à XNUMX XNUMX mAh 300
14500

 

Lithium Ion 14 mm x 50 mm 3.6 600 1600 à XNUMX XNUMX mAh Entre 300 et 500

 

18650 Applications courantes

La capacité élevée et la densité énergétique des batteries 18650 par rapport à leur taille les rendent adaptées aux appareils compacts ainsi qu'aux blocs d'alimentation portables de stockage et de transport. Les applications des batteries 18650 s’étendent donc à la mobilité, aux communications, à l’informatique, au stockage d’énergie, aux gadgets motorisés et aux jouets. Une liste représentative est la suivante :

  • Voitures électriques
  • Vélos électriques
  • Outils électriques alimentés par batterie
  • Drones
  • Téléphones mobiles, tablettes et ordinateurs portables
  • Jouets électriques
  • Lecteurs MP3/MP4 et écouteurs.
  • Banques d'alimentation.
  • Jouets et gadgets ménagers.

Processus de fabrication de la batterie 18650

Le processus de fabrication conventionnel des batteries Lithium Ion peut être divisé en 3 étapes, à savoir :

  • Préparation des électrodes
  • Assemblage de cellule
  • Activation électrochimique de la batterie

Chacune de ces étapes se déroule dans plusieurs étapes qui sont illustrées dans la figure 2  et décrit ci-dessous :

Mélange de lisier

C'est la première étape de la préparation des électrodes. Ici, les ingrédients actifs de chaque électrode, ainsi que les additifs, les liants et les solvants appropriés, sont mélangés pour former des suspensions uniformes. Dans le cas des batteries 18650, les ingrédients de la cathode sont l'oxyde de lithium, le nickel, le manganèse et le cobalt, dissous dans un solvant organique. Le matériau de revêtement de l'anode est du graphite dissous dans un milieu aqueux. Généralement planétaire mélangeurs sont utilisés pour préparer des boues uniformes pour une production à grande échelle

enrobage

Chaque boue est ensuite pompée vers une machine de revêtement, où les collecteurs de courant anodique et cathodique sont recouverts de leurs ingrédients actifs respectifs. Le collecteur cathodique est une bande d'aluminium tandis que le collecteur anodique est une bande de cuivre. Les deux côtés de chaque bande sont enduits. Généralement, la bande d'aluminium a une épaisseur de 20 microns, tandis que la feuille de cuivre a une épaisseur de 10 microns. Les épaisseurs typiques de cathode et d'anod après revêtement double face sont 125 microns et 126 microns respectivement. Les épaisseurs de revêtement dépendent de la composition du mélange d'électrodes.

Séchage

Après le revêtement, les bandes d'électrodes sont humides et doivent donc être séchées. Les bandes humides sont introduites dans un séchoir par un système de rouleaux. Ici, les solvants sont évaporés et transportés vers la section de récupération des solvants. A noter que cette opération de séchage consiste à évaporer les solvants. L'opération principale de séchage sous vide intervient plus tard.

Récupération des solvants

Le solvant organique coûteux et toxique est récupéré des vapeurs du séchoir par condensation suivie d'une distillation. Après cette étape, les bandes d'électrodes sèches et enrobées sont envoyées au calandrage.

Calandre

Le calandrage est un processus de compactage dans lequel les bandes enduites sont pressées entre des rouleaux à une température et une pression prescrites. Ceci est fait pour assurer une répartition uniforme des pores et augmenter la force d'adhésion entre les matériaux de revêtement d'électrode et les collecteurs de courant métalliques.

refendage

Après le calandrage, les bandes d'électrodes sont coupées à la largeur de cellule prescrite dans une machine à refendre. Les machines à refendre conventionnelles sont équipées à cet effet de lames réglables ou de ciseaux.

Figure 2 Processus de fabrication typique pour une batterie lithium-ion 18650
Séchage sous vide

Le processus de séchage conventionnel se fait sous vide à 60°C – 150°C en chauffant pendant plus de douze heures avec la possibilité de gaz inerte fournir. L'élimination de l'humidité garantit que les réactions secondaires et la corrosion sont minimisées. Les niveaux d'humidité des électrodes sont donc vérifiés après séchage. Avec cette étape, les électrodes sont prêtes pour l’étape suivante qui est l’assemblage des cellules.

Enroulement

La formation multicouche cylindrique de l’accu 18650 est réalisée au cours de cette étape. Les bandes d'anode et de cathode ainsi que la bande de séparation intermédiaire sont enroulées dans une machine spéciale qui maintient une précision tensions d'enroulement et alignements des feuilles. Si la tension d'enroulement est faible, cela affectera la résistance interne et le taux d'entrée de la coque. Une tension trop élevée peut facilement provoquer un court-circuit ou un risque de fracture de l'électrode.

Figure 3 La batterie 18650 après enroulement et soudage des languettes

Soudage

Dans cette étape, des bandes métalliques appelées Tabs sont soudées aux rouleaux d'anode et de cathode. Ce sont les jonctions où l’électricité circule entre le circuit externe et les électrodes de la batterie. Il s’agit d’une étape difficile, car les dommages dus au soudage peuvent endommager la cellule. Le soudage par résistance est largement pratiqué. Le soudage par ultrasons, beaucoup plus coûteux, est également utilisé par certains fabricants. La figure 3 représente une cellule 18650 typique, après enroulement et soudage des languettes.

Clôture

Après bobinage et soudage des languettes, chaque rouleau cylindrique est placé dans son enveloppe en acier. Le boîtier est rempli d'électrolytes et scellé. Le processus d’injection d’électrolyte se fait sous vide dans une atmosphère de gaz inerte. La concentration en oxygène doit être inférieure à 10 ppm pour éviter l'oxydation de l'électrode. Le boîtier est ensuite scellé par soudage laser pour terminer la fabrication de la cellule.

Formation/Vieillissement

Bien que les cellules aient été assemblées, elles ne sont pas encore prêtes à être expédiées. En effet, leurs électrodes doivent être activées. Ils doivent subir plusieurs cycles de charge et de décharge à faible taux pour former des films protecteurs sur les surfaces des électrodes. Le film, appelé couche SEI, est formé par décomposition et dépôt d'électrolyte sur la surface de l'électrode. Cette étape est appelée étape de formation. Du gaz est généré et doit être éliminé. Une fois les cycles de formation terminés, les cellules sont stockées sur des étagères vieillissantes pour un mouillage complet de l’électrolyte et une stabilisation du SEI. Après vieillissement et dégazage final, les cellules sont prêtes à être emballées et expédiées. Des contrôles de qualité sont effectués avant l'emballage, pour garantir que les produits répondent aux spécifications requises.

Comment tester la qualité du 18650 ?

Les tests de qualité de routine visant à vérifier les spécifications nominales des batteries fournies sur les fiches techniques des batteries sont décrits ci-dessous. Des applications spécifiques telles que les véhicules électriques nécessiteront des tests beaucoup plus rigoureux. Des échantillons randomisés sont sélectionnés pour être testés dans chaque lot.

  • Contrôle visuel : Absence de défauts tels qu'une rayure profonde, une fissure, de la rouille, une décoloration ou une fuite.
  • Contrôle des dimensions : précision du diamètre et de la longueur à vérifier.
  • Test d'énergie (puissance) de la batterie : Ceci est mesuré par des tests de charge et de décharge standard. La charge standard implique une charge à courant constant de 0.5 C et également une charge à tension constante de 4.2 V avec un courant dégressif, pour finalement s'arrêter à 50 mA. La décharge standard consiste à décharger à un courant constant de 0.2 C, jusqu'à ce qu'une tension de 2.50 V soit atteinte.
  • Test de charge/décharge à drain élevé : le taux de charge dans ce cas est à un courant constant de 0.5 C jusqu'à une tension de 4.20 V et un courant final de 50 mA. Les cellules sont ensuite déchargées à un courant constant de 0.5C jusqu'à une basse tension de 2.50V. Les cellules sont reposées pendant 10 minutes après la charge et 20 minutes après la décharge.
  • Durée de vie : les cellules sont chargées et déchargées selon le test de vidange élevée, pendant 500 cycles. Un cycle est défini comme une charge et une décharge. Le 501stla puissance de décharge doit être supérieure à 70 pour cent de la puissance initiale de la batterie.
  • Test de stockage : les cellules sont chargées au tarif standard et stockées dans un environnement à température contrôlée à 23ºC ± 2ºC pendant 30 jours. Après stockage, les cellules sont déchargées au rythme standard. La puissance résiduelle doit être supérieure à 90 pour cent de la puissance initiale.
  • Test à haute température : les cellules sont chargées au taux standard et stockées dans un environnement à température contrôlée à 60 °C.ºC pendant 1 semaine. Après stockage, les cellules sont déchargées au rythme standard puis cyclées pendant 3 cycles pour obtenir la puissance récupérée. La récupération de puissance doit être supérieure à 80 pour cent.
  • Test de chute : les cellules sont chargées au tarif standard et tombent sur un plancher en bois d'une hauteur de 1.0 mètre. Un total de 3 chutes sont effectuées, comprenant 2 chutes depuis chaque terminal cellulaire et 1 chute depuis le côté du boîtier de la cellule. Il ne devrait y avoir aucune fuite ni augmentation de température.

Sécurité de la batterie 18650 NMC

Beaucoup d’entre nous utiliseraient ces batteries pour nos appareils électriques et électroniques portables ou nos gadgets et jouets ménagers. Étant donné que les batteries au lithium-ion peuvent prendre feu en raison de réactions chimiques incontrôlées, les précautions générales de sécurité suivantes doivent être gardées à l'esprit.

  • N'utilisez pas de piles visiblement endommagées
  • Vérifiez que les bornes positives et négatives sont correctement connectées dans le chargeur.
  • Assurez-vous que la batterie est stockée dans un endroit sec, à l'abri de la chaleur ou de la lumière directe du soleil.
  • Gardez la batterie hors de portée des enfants ou des animaux domestiques. Soyez particulièrement prudent avec les jouets, ne laissez pas les enfants jouer sans surveillance avec des jouets fonctionnant à piles.
  • Utilisez uniquement le chargeur recommandé.
  • Ne mélangez pas des spécifications différentes ou des piles anciennes et neuves pour votre appareil.
  • Ne court-circuitez pas la batterie avec un fil ou tout autre matériau conducteur.
  • Achetez toujours des batteries Lithium-Ion protégées. Ceux-ci ont une protection intégrée contre les courants. dangers, tels que surcharge, décharge excessive, court-circuit/surintensité et température.

Comment stocker les cellules 18650

Lorsque des batteries 18650 doivent être stockées en vrac ou dans de grandes alimentations fixes, le plus grand risque est un incendie incontrôlé. Les précautions typiques pour atténuer le risque d’incendie sont les suivantes :

  • Effectuer des inspections visuelles fréquentes des batteries pour détecter tout signe de dommage
  • Les locaux de stockage doivent être secs, frais, bien ventilés et exempts de niveaux élevés d'humidité.
  • Ne stockez pas de matériaux inflammables ou combustibles à proximité.
  • Gardez les objets pointus et les matériaux conducteurs éloignés des batteries.
  • S'assurer que le personnel est pleinement formé sur les procédures d'urgence
  • Le personnel doit être conscient des précautions particulières à prendre en cas d'incendie impliquant des batteries au lithium-ion.
  • Des armoires de stockage de batteries métalliques exclusives ou des sacs de sécurité ignifuges sont disponibles et doivent être utilisés.
  • La zone de stockage doit disposer d'un système de détection de fumée approprié qui avertit de manière adéquate les autres occupants du bâtiment.
  • Limitez la taille des zones de stockage et ne stockez rien d’autre dans la même zone.
  • Prévoir un système d'injection d'agent extincteur fixe adapté.
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