Tutte le cose che devi sapere su 18650

Cos'è la cella della batteria 18650?

La batteria 18650 è probabilmente la più versatile tra le batterie agli ioni di litio, poiché alimenta applicazioni dalle torce alle auto Tesla. Lanciata negli anni '1990, è una veterana tra le batterie agli ioni di litio. Secondo la nomenclatura internazionale delle batterie, il numero 18650 ne rappresenta la forma e le dimensioni. Pertanto, la 18650 è una batteria cilindrica di 18 mm di diametro e 65 mm di lunghezza.

Chi ha iniziato questo modello di batteria?

La prima azienda ad avviare la produzione commerciale della batteria 18650 è stata Panasonic. Dalla pagina web della storia aziendale, puoi vedere che la batteria 18650 è stata sviluppata nel 1994, in risposta alla domanda del mercato di batterie ricaricabili più piccole e leggere. Rispetto alle batterie usa e getta, queste batterie agli ioni di litio offrono prestazioni superiori grazie all'alta tensione, alla maggiore densità di energia e capacità. Le batterie 18650 si rivelarono un successo e molte altre aziende iniziarono a produrre questo modello. Nel corso degli anni, Panasonic ha lanciato versioni più recenti del 18650, con capacità e densità di energia migliorate. Concorrenti come Samsung e LG Chem, nonché nuovi arrivati ​​come Enpower e NanoGraf si sono uniti alla mischia, introducendo le loro versioni della batteria 18650. La Figura 1 confronta le densità energetiche delle batterie 18650 prodotte da vari produttori.

Figura 1 Densità energetica di batterie 18650 prodotte da vari produttori

18650 vs AA/21700/26650/18500/14500

Prima del modello 18650, la batteria preferita per i piccoli dispositivi elettrici ed elettronici era la batteria formato AA. Concepito prima della prima guerra mondiale, questo formato è attualmente disponibile in diversi modelli usa e getta e ricaricabili, tra cui quelli agli ioni di Nichel e Litio. Monouso batterie AA basati su zinco-carbone o chimica alcalina sono molto richiesti per l'uso in torce elettriche, fotocamere, orologi, calcolatrici, giocattoli e una miriade di altri gadget di uso quotidiano.

Durante gli anni '1990, i produttori di batterie agli ioni di litio hanno adottato una nomenclatura numerica per le dimensioni delle batterie. Furono lanciati molti modelli più grandi e più piccoli del 18650, per sfruttare il boom dei mercati dell'elettronica personale, degli utensili elettrici e dei veicoli elettrici. Le varie batterie agli ioni di litio emerse in quel periodo includevano 21700/26650/18500/14500. Molte di queste dimensioni sono state costantemente aggiornate nel corso degli anni. IL panasonic18650  da solo è disponibile in un'ampia gamma di modelli. A causa della sovrapposizione nei rispettivi segmenti di mercato, è interessante confrontare la 18650 con le altre batterie agli ioni di litio, come mostrato nella tabella seguente:

 

Nome Tipi di chimica Dimensioni

(Diametro x lunghezza)

Tensione nominale Ultra-Grande Ciclo di vita
 AA

 

Monouso: Zinco Carbone, Alcalino 14.5 mm x mm 15 1.5 Da 400 a 2850 mAh Non applicabile
ricaricabile:

Nichel Cadmio, Nichel Metallo Idruro, Nichel Zinco, Ioni di Litio.

 

14.5 mm x mm 15 da 1.2 a 3.6 Da 600 a 2850 mAh 500 a 1000 cicli
18650

 

Ioni di litio 18 mm x mm 65 3.6 Da 2000 a 3600 mAh da 300 a 500
21700

 

Ioni di litio 21 mm x mm 70 3.6 Da 3000 a 5000 mAh da 500 a 2000
26650

 

Ioni di litio 26 mm x mm 65 3.6 5000 mAh 1500
18500 Ioni di litio 18 mm x mm 50 3.6 Da 1500 a 2200 mAh 300
14500

 

Ioni di litio 14 mm x mm 50 3.6 Da 600 a 1600 mAh da 300 a 500

 

18650 Applicazioni comuni

L'elevata capacità e densità di energia delle batterie 18650 rispetto alle loro dimensioni, le rende adatte per dispositivi compatti e per alimentatori portatili per lo stoccaggio e il trasporto. Pertanto le applicazioni delle batterie 18650 sono diffuse in mobilità, comunicazioni, informatica, stoccaggio di energia, gadget motorizzati e giocattoli. Un elenco rappresentativo è il seguente:

  • Auto elettrica
  • Biciclette elettriche
  • Utensili elettrici a batteria
  • Droni
  • Telefoni cellulari, tablet e laptop
  • Giocattoli elettrici
  • Lettori MP3/MP4 e cuffie.
  • Banche di potere.
  • Giocattoli e gadget per la casa.

Processo di produzione delle batterie 18650

Il processo di produzione convenzionale delle batterie agli ioni di litio può essere suddiviso in 3 fasi, vale a dire:

  • Preparazione degli elettrodi
  • Assemblaggio cellulare
  • Attivazione elettrochimica della batteria

Ognuna di queste fasi si verifica in diversi passaggi illustrati nella Figura 2  e di seguito descritto:

Miscelazione dei liquami

Questo è il primo passo della preparazione dell'elettrodo. Qui, gli ingredienti attivi di ciascun elettrodo, insieme ad additivi, leganti e solventi adatti vengono miscelati per formare impasti uniformi. Nel caso delle batterie 18650 gli ingredienti del Catodo sono Ossido di Litio, Nichel, Manganese e Cobalto, disciolti in un solvente organico. Il materiale di rivestimento dell'anodo è grafite disciolta in mezzo acquoso. Tipicamente planetario miscelatori vengono utilizzati per preparare liquami uniformi per la produzione su larga scala

Rivestimento

Ciascun impasto liquido viene quindi pompato in una macchina di rivestimento, dove i collettori di corrente anodica e catodica vengono rivestiti con i rispettivi ingredienti attivi. Il collettore del catodo è una striscia di alluminio mentre il collettore dell'anodo è una striscia di rame. Entrambi i lati di ciascuna striscia sono rivestiti. Tipicamente, la striscia di alluminio ha uno spessore di 20 micron, mentre la lamina di rame ha uno spessore di 10 micron. Gli spessori tipici del catodo e dell'anodo dopo il rivestimento su doppio lato sono rispettivamente 125 micron e 126 micron. Gli spessori del rivestimento dipendono dalla composizione della miscela degli elettrodi.

essiccazione

Dopo il rivestimento, le strisce di elettrodi sono bagnate, quindi devono essere asciugate. Le strisce bagnate vengono alimentate da un sistema a rulli in un essiccatore. Qui i solventi vengono evaporati e convogliati alla sezione di recupero solventi. Si noti che questa operazione di essiccazione serve per far evaporare i solventi. L'operazione principale di essiccazione sotto vuoto avviene successivamente.

Recupero solventi

Il costoso e tossico solvente organico viene recuperato dai vapori dell'essiccatore mediante condensazione seguita da distillazione. Dopo questa fase, le strisce di elettrodi rivestite e asciutte vengono inviate alla calandratura.

calandratura

La calandratura è un processo di compattazione in cui le strisce rivestite vengono pressate tra i rulli ad una temperatura e pressione prescritte. Questo viene fatto per garantire una distribuzione uniforme dei pori e aumentare la forza di adesione tra i materiali di rivestimento degli elettrodi e i collettori di corrente metallici.

taglio

Dopo la calandratura, le strisce di elettrodi vengono tagliate alla larghezza prescritta delle celle in una macchina da taglio. A questo scopo le macchine da taglio convenzionali sono dotate di lame regolabili o scalpelli.

Figura 2 Processo di produzione tipico per la batteria agli ioni di litio 18650
Essiccazione sottovuoto

Il processo di essiccazione convenzionale viene eseguito sotto vuoto a 60°C–150°C con riscaldamento per oltre dodici ore con l'opzione di gas inerte fornitura. La rimozione dell'umidità garantisce che le reazioni collaterali e la corrosione siano ridotte al minimo. Quindi i livelli di umidità degli elettrodi vengono verificati dopo l'asciugatura. Con questo passaggio gli elettrodi sono pronti per la fase successiva che è l'assemblaggio della cella.

Winding

In questa fase si realizza la formazione cilindrica multistrato della batteria 18650. Le strisce dell'anodo e del catodo insieme alla striscia separatrice intermedia vengono avvolte in una macchina speciale che mantiene la precisione tensioni degli avvolgimenti e allineamenti delle lamine. Se la tensione dell'avvolgimento è piccola, influenzerà la resistenza interna e la velocità di ingresso del guscio. Una tensione eccessiva può facilmente causare cortocircuiti o rischio di rottura dell'elettrodo.

Figura 3 La batteria 18650 dopo l'avvolgimento e la saldatura delle linguette

Saldatura

In questa fase, strisce metalliche chiamate Tabs vengono saldate ai rulli anodici e catodici. Queste sono le giunzioni in cui scorre l'elettricità tra il circuito esterno e gli elettrodi della batteria. Questo è un passaggio impegnativo, poiché i danni dovuti alla saldatura possono danneggiare la cella. La saldatura a resistenza è ampiamente praticata. Alcuni produttori utilizzano anche la saldatura a ultrasuoni, molto più costosa. La Figura 3 mostra una tipica cella 18650, dopo l'avvolgimento e la saldatura delle linguette.

Allegando

Dopo l'avvolgimento e la saldatura delle linguette, ad ogni rotolo cilindrico viene riposto il proprio involucro in acciaio. L'involucro è pieno di elettroliti e sigillato. Il processo di iniezione dell'elettrolita viene eseguito sotto vuoto in un'atmosfera di gas inerte. La concentrazione di ossigeno deve essere inferiore a 10 ppm per prevenire l'ossidazione dell'elettrodo. L'involucro viene quindi sigillato mediante saldatura laser, per completare la fabbricazione della cella.

Formazione/Invecchiamento

Sebbene le celle siano state assemblate, non sono ancora pronte per essere spedite. Questo perché i loro elettrodi devono essere attivati. Devono essere sottoposti a cicli multipli di carica e scarica a bassa velocità, per formare pellicole protettive sulle superfici degli elettrodi. Il film, chiamato strato SEI, è formato dalla decomposizione e deposizione dell'elettrolita sulla superficie dell'elettrodo. Questo passaggio è chiamato fase di formazione. Viene generato del gas che deve essere rimosso. Dopo aver completato i cicli di formazione, le cellule vengono conservate su scaffali di invecchiamento per la completa bagnatura dell'elettrolita e la stabilizzazione del SEI. Dopo l'invecchiamento e il degasaggio finale, le celle sono pronte per essere imballate e spedite. I controlli di qualità vengono eseguiti prima dell'imballaggio, per garantire che i prodotti soddisfino le specifiche richieste.

Come testare la qualità del 18650?

Di seguito sono descritti i test di qualità di routine per verificare le specifiche nominali della batteria fornite nelle schede tecniche della batteria. Applicazioni specifiche come i veicoli elettrici necessiteranno di test molto più rigorosi. Da ciascun lotto vengono selezionati campioni randomizzati per l'analisi.

  • Controllo visivo: assenza di difetti quali graffi profondi, crepe, ruggine, scolorimento o perdite.
  • Controllo dimensionale: precisione del diametro e della lunghezza da verificare.
  • Test dell'energia della batteria (potenza): viene misurato mediante test di carica e scarica standard. La carica standard prevede la carica a corrente costante di 0.5 C e anche la carica a tensione costante di 4.2 V con corrente decrescente, fermandosi infine a 50 mA. La scarica standard prevede la scarica ad una corrente costante di 0.2C, fino al raggiungimento di una tensione di 2.50V.
  • Test di carica/scarica ad alto consumo: la velocità di carica in questo caso è a corrente costante di 0.5 C fino a una tensione di 4.20 V e una corrente finale di 50 mA. Le celle vengono quindi scaricate a corrente costante di 0.5 C fino a una bassa tensione di 2.50 V. Le celle vengono lasciate riposare per 10 minuti dopo la carica e 20 minuti dopo la scarica.
  • Durata del ciclo: le celle vengono caricate e scaricate secondo il test ad alto consumo, per 500 cicli. Un ciclo è definito come una carica e una scarica. Il 501stla potenza di scarica deve essere superiore al 70% della potenza iniziale della batteria.
  • Test di conservazione: le celle vengono caricate alla velocità standard e conservate in un ambiente a temperatura controllata a 23°CºC±2ºC per 30 giorni. Dopo la conservazione, le celle vengono scaricate alla velocità standard. La potenza residua dovrebbe essere superiore al 90% della potenza iniziale.
  • Test ad alta temperatura: le celle vengono caricate alla velocità standard e conservate in un ambiente a temperatura controllata a 60ºC per 1 settimana. Dopo lo stoccaggio, le celle vengono scaricate a velocità standard e quindi sottoposte a ciclo per 3 cicli per ottenere energia recuperata. Il recupero energetico dovrebbe essere superiore all'80%.
  • Test di caduta: le celle vengono caricate alla velocità standard e cadono su un pavimento di legno da un'altezza di 1.0 metri. Vengono eseguite 3 gocce in totale, di cui 2 gocce da ciascun terminale della cella e 1 goccia dal lato dell'involucro della cella. Non dovrebbero esserci perdite o aumenti di temperatura.

Sicurezza della batteria 18650 NMC

Molti di noi utilizzerebbero queste batterie per i nostri dispositivi elettrici ed elettronici portatili o per gadget e giocattoli domestici. Poiché le batterie agli ioni di litio possono prendere fuoco a causa di reazioni chimiche sfrenate, è necessario tenere presenti le seguenti precauzioni generali di sicurezza.

  • Non utilizzare batterie visibilmente danneggiate
  • Controllare che i terminali positivo e negativo siano collegati correttamente nel caricabatterie.
  • Assicurarsi che la batteria sia conservata in un'area asciutta, lontana dal calore o dalla luce solare diretta.
  • Tenere la batteria lontano dalla portata di bambini o animali domestici. Prestare particolare attenzione ai giocattoli e non lasciare che i bambini giochino senza sorveglianza con giocattoli alimentati a batteria.
  • Utilizzare solo il caricabatterie consigliato.
  • Non mischiare specifiche diverse o batterie vecchie e nuove nel tuo dispositivo.
  • Non cortocircuitare la batteria con un filo o qualsiasi materiale conduttore.
  • Acquistare sempre batterie protette agli ioni di litio. Questi hanno una protezione integrata contro i comuni. pericoli quali sovraccarico, scarica eccessiva, cortocircuito/sovracorrente e temperatura.

Come conservare le celle 18650

Quando le batterie 18650 devono essere immagazzinate alla rinfusa o in grandi alimentatori fissi, il rischio maggiore è un incendio incontrollato. Le tipiche precauzioni per mitigare il rischio di incendio sono le seguenti:

  • Eseguire frequenti ispezioni visive delle batterie per individuare eventuali segni di danneggiamento
  • I locali di stoccaggio devono essere asciutti, freschi, ben ventilati e privi di elevati livelli di umidità.
  • Non conservare materiali infiammabili o combustibili nelle vicinanze.
  • Tenere oggetti appuntiti e materiali conduttivi lontano dalle batterie.
  • Garantire che il personale sia pienamente formato sulle procedure di emergenza
  • Il personale deve essere a conoscenza delle precauzioni speciali nella gestione degli incendi che coinvolgono le batterie agli ioni di litio.
  • Sono disponibili armadietti metallici brevettati per lo stoccaggio delle batterie o borse di sicurezza ignifughe, che dovrebbero essere utilizzati.
  • L'area di stoccaggio deve essere dotata di un adeguato sistema di rilevamento del fumo che fornisca un adeguato avviso agli altri occupanti dell'edificio
  • Limita la dimensione delle aree di stoccaggio e non conservare nient'altro nella stessa area.
  • Prevedere un adeguato sistema fisso di allagamento dell'agente estinguente.
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