18650 バッテリーセルとは何ですか?

18650 バッテリーはおそらくリチウム イオン バッテリーの中で最も多用途であり、トーチライトからテスラ車までのアプリケーションに電力を供給します。 1990年代に発売されているリチウムイオン電池の中ではベテランです。電池の国際命名法では、18650 という数字はその形状と寸法を表します。したがって、18650 は直径 18 mm、長さ 65 mm の円筒形バッテリーです。

このバッテリーモデルを始めたのは誰ですか?

18650 バッテリーの商業生産を最初に開始した企業はパナソニックでした。同社の社史ウェブページを見ると、18650 電池は小型軽量の充電式電池に対する市場の需要に応えて 1994 年に開発されたことがわかります。使い捨て電池と比較して、これらのリチウムイオン電池は、高電圧、より高いエネルギー密度、および容量により優れた性能を実現しました。 18650 バッテリーはヒット商品であることが判明し、他の多くの企業がこのモデルの製造を開始しました。長年にわたり、パナソニックは容量とエネルギー密度が向上した 18650 の新しいバージョンを発売してきました。 Samsung や LG Chem などの競合企業だけでなく、Enpower や NanoGraf などの新規参入企業もこの争いに加わり、自社バージョンの 18650 バッテリーを発表しました。図 1 は、さまざまなメーカーが製造した 18650 バッテリーのエネルギー密度を比較しています。

18650 vs AA/21700/26650/18500/14500

18650型が登場する以前は、小型電気・電子機器の電池として主流だったのがAA型電池でした。第一次世界大戦以前に考案されたこのサイズは、現在ではニッケルやリチウムイオンなど、使い捨てタイプと充電式タイプが幅広く販売されています。亜鉛炭素系またはアルカリ系の使い捨てAA型電池は、懐中電灯、カメラ、時計、電卓、おもちゃ、その他多くの日用品に広く使われており、需要が高いのが特徴です。

1990年代、リチウムイオン電池メーカーは電池サイズに数字表記を採用しました。パーソナルエレクトロニクス、電動工具、電気自動車市場のブームに乗じて、18650よりも大きいものから小さいものまで、多くのモデルが発売されました。当時登場したリチウムイオン電池には、21700/26650/18500/14500などがあります。これらのサイズのいくつかは、長年にわたって改良されてきました。パナソニックの18650だけでも、幅広いモデルが販売されています。市場セグメントが重複しているため、次の表に示すように、18650と他のリチウムイオン電池を比較するのは興味深いことです。

 

名前	化学の種類	寸法 (直径×長さ)	公称電圧	容量	サイクル寿命
AA	使い捨て： 亜鉛炭素、アルカリ性	14.5のミリメートル×15ミリメートル	1.5	400〜2850 mAh	適用されない
	充電式： ニッケルカドミウム、ニッケル水素、ニッケル亜鉛、リチウムイオン。	14.5のミリメートル×15ミリメートル	1.2〜3.6	600〜2850 mAh	500～1000サイクル
18650	リチウムイオン	18のミリメートル×65ミリメートル	3.6	2000〜3600 mAh	300〜500
21700	リチウムイオン	21のミリメートル×70ミリメートル	3.6	3000〜5000 mAh	500〜2000
26650	リチウムイオン	26のミリメートル×65ミリメートル	3.6	5000ミリアンペア時	1500
18500	リチウムイオン	18のミリメートル×50ミリメートル	3.6	1500〜2200 mAh	300
14500	リチウムイオン	14のミリメートル×50ミリメートル	3.6	600〜1600 mAh	300〜500

 

18650 一般的なアプリケーション

18650 バッテリーは、そのサイズに比べて容量とエネルギー密度が高いため、コンパクトなデバイスだけでなく、ポータブルな保管および輸送用のパワーパックにも適しています。したがって、18650 バッテリーの用途は、モビリティ、通信、コンピューティング、電力貯蔵、電動ガジェット、玩具などに広がっています。代表的なリストは次のとおりです。

• 電気自動車
• 電動自転車
• バッテリー駆動の電動工具
• ドローン
• 携帯電話、タブレット、ラップトップ
• 電気玩具
• MP3/MP4 プレーヤーとヘッドフォン。
• パワーバンク。
• おもちゃや家庭用品。

18650 バッテリーの製造プロセス

リチウムイオン電池の従来の製造プロセスは、次の 3 つの段階に分けることができます。

• 電極の準備
• セルアセンブリ
• バッテリーの電気化学的活性化

これらの各段階は、図2に示され、以下に説明するように、いくつかのステップを経て進行します。

スラリー混合

これは電極作製における最初のステップです。ここでは、各電極の有効成分と添加剤、バインダー、適切な溶媒を混合して均一なスラリーを形成します。18650型電池の場合、正極成分は有機溶媒に溶解した酸化リチウム、ニッケル、マンガン、コバルトです。負極コーティング材は、水性媒体に溶解したグラファイトです。一般的に、大規模生産用の均一なスラリーを調製するために遊星ミキサーが使用されます。

コーティング

各スラリーはコーティング機に送られ、そこで陽極および陰極集電体にそれぞれの活性成分がコーティングされます。陰極集電体はアルミニウムストリップ、陽極集電体は銅ストリップです。各ストリップの両面にコーティングが施されます。一般的に、アルミニウムストリップの厚さは20ミクロン、銅箔の厚さは10ミクロンです。両面コーティング後の陰極および陽極の典型的な厚さは、それぞれ125ミクロンおよび126ミクロンです。コーティングの厚さは、電極混合物の組成によって異なります。

乾燥

コーティング後、電極ストリップは濡れているため、乾燥する必要があります。湿ったストリップはローラー システムによって乾燥機に供給されます。ここで溶媒は蒸発し、溶媒回収セクションに運ばれます。この乾燥操作は溶媒を蒸発させるためのものであることに注意してください。主な真空乾燥操作は後で行われます。

溶剤回収

高価で有毒な有機溶剤は、乾燥機の蒸気から凝縮、その後の蒸留によって回収されます。このステップの後、乾燥してコーティングされた電極ストリップは、カレンダー加工のために送られます。

カレンダー

カレンダー加工は、コーティングされたストリップを所定の温度と圧力でローラー間でプレスする圧縮プロセスです。これは、均一な細孔分布を確保し、電極コーティング材料と金属集電体の間の接着強度を高めるために行われます。

スリッティング

カレンダー加工後、電極帯をスリッター機で所定のセル幅に切断します。従来のスリッティングマシンには、この目的のために調整可能なブレードまたはチゼルが装備されています。

真空乾燥

従来の乾燥プロセスは、真空下、60℃～150℃で12時間以上加熱し、不活性ガス供給オプションも併用して行われます。水分を除去することで、副反応や腐食を最小限に抑えることができます。そのため、乾燥後に電極の水分レベルを確認します。この工程を経て、電極は次の工程であるセル組立工程に進む準備が整います。

巻き取り

この工程では、18650型電池の円筒状多層構造が形成されます。陽極と陰極のストリップ、およびそれらを挟むセパレータストリップは、精密な巻線張力と箔の整列を維持する特殊な機械で巻かれます。巻線張力が小さいと、内部抵抗とシェルへの挿入速度に影響します。張力が強すぎると、短絡や電極の破損リスクが高まります。

溶接

このステップでは、タブと呼ばれる金属ストリップがアノード ロールとカソード ロールに溶接されます。これらは、外部回路とバッテリーの電極の間で電気が流れる接合部です。溶接による損傷はセルに損傷を与える可能性があるため、これは困難なステップです。抵抗溶接は広く行われています。非常に高価な超音波溶接も一部のメーカーで使用されています。図 3 は、巻線とタブ溶接後の典型的な 18650 セルを示しています。

同封

巻き付けとタブ溶接の後、各円筒ロールはスチール製ケーシングに配置されます。ケーシングには電解液が充填され、密閉されています。電解液の注入プロセスは、不活性ガス雰囲気の真空下で行われます。電極の酸化を防ぐために、酸素濃度は 10 ppm 未満にする必要があります。その後、ケーシングをレーザー溶接で密閉し、セルの製造が完了します。

形成・老化

セルは組み立てられていますが、まだ出荷の準備ができていません。これは、電極を活性化する必要があるためです。電極表面に保護膜を形成するには、低速充電と放電サイクルを複数回繰り返す必要があります。 SEI層と呼ばれる膜は、電解質の分解と電極表面への堆積によって形成されます。この工程を形成工程と呼ぶ。ガスが発生するので除去する必要があります。形成サイクルが完了した後、セルは完全な電解質の湿潤と SEI の安定化のためにエージング棚に保管されます。エージングと最終的な脱気の後、セルは梱包して出荷する準備が整います。製品が要求仕様を満たしていることを確認するために、梱包前に品質検査が行われます。

18650 の品質をテストするにはどうすればよいですか?

バッテリーのデータシートに記載されているバッテリーの公称仕様を確認するための定期的な品質テストについては、以下で説明します。電気自動車などの特定の用途には、さらに厳しいテストが必要になります。ランダム化されたサンプルが各バッチからテスト用に選択されます。

• 目視検査：深い傷、亀裂、錆、変色、漏れなどの欠陥がないか。
• 寸法チェック：直径と長さの精度をチェックします。
• バッテリーエネルギー (電力) テスト: これは、標準的な充電および放電テストによって測定されます。標準充電では、0.5Cの定電流で充電するほか、4.2Vの定電圧で徐々に電流を流しながら充電し、最終的に50mAで停止します。標準的な放電では、0.2V の電圧に達するまで 2.50C の定電流で放電します。
• 高ドレイン充放電テスト: この場合の充電速度は、電圧 0.5V まで 4.20C の定電流、終止電流 50mA です。次に、セルは 0.5C の定電流で 2.50V の低電圧まで放電されます。電池は充電後 10 分間、放電後 20 分間休止されます。
• サイクル寿命: セルは、高ドレインテストに従って 500 サイクル充電および放電されます。サイクルは 501 回の充電と XNUMX 回の放電として定義されます。 XNUMX^st放電電力は初期バッテリー電力の 70% を超える必要があります。
• 保管テスト: セルは標準速度で充電され、23 ℃の温度管理された環境で保管されます。^ºC±2^ºCで30日間。保管後、セルは標準速度で放電されます。残留電力は初期電力の 90% を超える必要があります。
• 高温テスト: セルは標準速度で充電され、60 度の温度管理された環境で保管されます。^ºCで1週間。保管後、セルは標準速度で放電され、その後 3 サイクル繰り返して電力が回収されます。電力回復率は 80% を超える必要があります。
• 落下テスト: 電池を標準速度で充電し、1.0 メートルの高さから木の床に落下させます。各セル端子から 3 回、セルケース側面から 2 回の合計 1 回のドロップが実行されます。漏れや温度上昇があってはなりません。

18650 NMC バッテリーの安全性

私たちの多くは、これらのバッテリーをポータブル電気および電子機器、または家庭用機器やおもちゃに使用しているでしょう。リチウムイオン電池は化学反応の暴走により発火する可能性があるため、次の一般的な安全上の注意事項に留意する必要があります。

• 目に見えて損傷したバッテリーは使用しないでください
• 充電器のプラス端子とマイナス端子が正しく接続されていることを確認してください。
• バッテリーは熱や直射日光を避け、乾燥した場所に保管してください。
• バッテリーを子供やペットの手の届かないところに保管してください。特におもちゃには注意し、電池式のおもちゃで子供を監督なしで遊ばせないでください。
• 推奨される充電器のみを使用してください。
• 異なる仕様のバッテリーや古いバッテリーと新しいバッテリーをデバイスに混ぜて使用しないでください。
• ワイヤーや導電性材料でバッテリーをショートさせないでください。
• 必ず保護されたリチウムイオン) バッテリーを購入してください。これらには、一般的なものに対する保護が組み込まれています。過充電、過放電、短絡/過電流、温度などの危険性があります。

18650 セルの保管方法

18650 バッテリーをバルクまたは大型の定置電源に保管する必要がある場合、最大のリスクは制御不能な火災です。火災の危険を軽減するための一般的な予防措置は次のとおりです。

• バッテリーに損傷の兆候がないか頻繁に目視検査を行ってください。
• 保管室は乾燥し、涼しく、換気が良く、高レベルの湿気がないようにする必要があります。
• 可燃性または可燃性の物質を近くに保管しないでください。
• 鋭利な物体や導電性物質をバッテリーに近づけないでください。
• スタッフが緊急時の手順について十分な訓練を受けていることを確認する
• スタッフは、リチウムイオン電池に関連する火災に対処する際の特別な予防措置を認識しておく必要があります。
• 独自の金属製バッテリー保管キャビネットまたは耐火安全バッグが入手可能ですので、使用する必要があります。
• 保管エリアには、建物の他の居住者に適切な警告を発する適切な煙検知システムが設置されていなければなりません。
• 保存領域のサイズを制限し、同じ領域に他のものを保存しないでください。
• 適切な固定消火剤の注入システムを提供します。