Qual é a célula da bateria 18650?

A bateria 18650 é provavelmente a mais versátil entre as baterias de íon de lítio, alimentando aplicações desde lanternas até carros Tesla. Lançada na década de 1990, é uma veterana entre as baterias de íon de lítio. Pela nomenclatura internacional de baterias, o número 18650 representa sua forma e dimensões. Assim, a 18650 é uma bateria cilíndrica de 18 mm de diâmetro e 65 mm de comprimento.

Quem iniciou este modelo de bateria?

A primeira empresa a iniciar a produção comercial da bateria 18650 foi a Panasonic. Na página de história corporativa, você pode ver que a bateria 18650 foi desenvolvida em 1994, em resposta à demanda do mercado por baterias recarregáveis ​​menores e mais leves. Em comparação com as baterias descartáveis, estas baterias de iões de lítio proporcionam um desempenho superior devido à alta tensão, maior densidade de energia e capacidade. As baterias 18650 provaram ser um sucesso e muitas outras empresas começaram a fabricar este modelo. Ao longo dos anos, a Panasonic lançou versões mais recentes do 18650, com capacidades e densidades de energia melhoradas. Concorrentes como Samsung e LG Chem, bem como recém-chegados como Enpower e NanoGraf entraram na briga, apresentando suas versões da bateria 18650. A Figura 1 compara as densidades de energia de 18650 baterias fabricadas por vários fabricantes.

18650 vs AA/21700/26650/18500/14500

Antes do modelo 18650, a bateria preferida para pequenos dispositivos elétricos e eletrônicos era a bateria tamanho AA. Concebida antes da Primeira Guerra Mundial, esse tamanho está atualmente disponível em diversos modelos descartáveis ​​e recarregáveis, incluindo os tipos de níquel e íon de lítio. As baterias AA descartáveis , baseadas em química de zinco-carbono ou alcalinas, são muito procuradas para uso em lanternas, câmeras, relógios, calculadoras, brinquedos e uma série de outros aparelhos de uso diário.

Durante a década de 1990, os fabricantes de baterias de íon-lítio adotaram a nomenclatura numérica para os tamanhos das baterias. Muitos modelos, tanto maiores quanto menores que a 18650, foram lançados para capitalizar o crescimento dos mercados de eletrônicos pessoais, ferramentas elétricas e veículos elétricos. As diversas baterias de íon-lítio que surgiram naquela época incluíam os modelos 21700, 26650, 18500 e 14500. Vários desses tamanhos foram constantemente atualizados ao longo dos anos. A Panasonic 18650, por exemplo, possui uma ampla gama de modelos. Devido à sobreposição em seus segmentos de mercado, é interessante comparar a 18650 com outras baterias de íon-lítio, conforme mostrado na tabela a seguir:

 

Nome	Tipos de Química	Dimensões (Diâmetro x comprimento)	Tensão nominal	Capacidade	Ciclo de Vida
AA	Descartável: Zinco Carbono, Alcalino	14.5 mm x mm 15	1.5	400 a 2850 mAh	Não aplicável
	Recarregável: Níquel Cádmio, Níquel Hidreto Metálico, Níquel Zinco, Íon Lítio.	14.5 mm x mm 15	1.2 a 3.6	600 a 2850 mAh	500 a 1000 ciclos
18650	Lithium Ion	18 mm x mm 65	3.6	2000 a 3600 mAh	300 a 500
21700	Lithium Ion	21 mm x mm 70	3.6	3000 a 5000 mAh	500 a 2000
26650	Lithium Ion	26 mm x mm 65	3.6	5000 mAh	1500
18500	Lithium Ion	18 mm x mm 50	3.6	1500 a 2200 mAh	300
14500	Lithium Ion	14 mm x mm 50	3.6	600 a 1600 mAh	300 a 500

 

18650 Aplicações Comuns

A alta capacidade e densidade de energia das baterias 18650 em relação ao seu tamanho as tornam adequadas para dispositivos compactos, bem como para unidades portáteis de armazenamento e transporte. Conseqüentemente, as aplicações das baterias 18650 estão espalhadas pela mobilidade, comunicações, computação, armazenamento de energia, dispositivos motorizados e brinquedos. Uma lista representativa é a seguinte:

• Carros elétricos
• Bicicletas elétricas
• Ferramentas elétricas movidas a bateria
• Drones
• Celulares, tablets e laptops
• Brinquedos elétricos
• Leitores de MP3/MP4 e fones de ouvido.
• Bancos de potência.
• Brinquedos e utensílios domésticos.

Processo de fabricação de baterias 18650

O processo convencional de fabricação de baterias de íon de lítio pode ser dividido em 3 etapas, a saber:

• Preparação do eletrodo
• Montagem da célula
• Ativação eletroquímica da bateria

Cada uma dessas etapas ocorre em vários passos, ilustrados na Figura 2 e descritos a seguir:

Mistura de pasta

Esta é a primeira etapa da preparação dos eletrodos. Aqui, os ingredientes ativos de cada eletrodo, juntamente com aditivos, aglutinantes e solventes adequados, são misturados para formar pastas homogêneas. No caso das baterias 18650, os ingredientes do cátodo são óxido de lítio, níquel, manganês e cobalto, dissolvidos em um solvente orgânico. O material de revestimento do ânodo é grafite dissolvido em meio aquoso. Normalmente, misturadores planetários são usados ​​para preparar pastas homogêneas para produção em larga escala.

Acabamento

Cada pasta é então bombeada para uma máquina de revestimento, onde os coletores de corrente do ânodo e do cátodo são revestidos com seus respectivos ingredientes ativos. O coletor do cátodo é uma tira de alumínio, enquanto o coletor do ânodo é uma tira de cobre. Ambos os lados de cada tira são revestidos. Tipicamente, a tira de alumínio tem 20 micrômetros de espessura, enquanto a tira de cobre tem 10 micrômetros de espessura. As espessuras típicas do cátodo e do ânodo após o revestimento em ambos os lados são de 125 micrômetros e 126 micrômetros, respectivamente . As espessuras do revestimento dependem da composição da mistura do eletrodo.

Secagem

Após o revestimento, as tiras dos eletrodos ficam molhadas e precisam ser secas. As tiras úmidas são alimentadas por um sistema de rolos em um secador. Aqui os solventes são evaporados e transportados para a seção de recuperação de solventes. Observe que esta operação de secagem visa evaporar os solventes. A operação principal de secagem a vácuo ocorre posteriormente.

Recuperação de solvente

O solvente orgânico caro e tóxico é recuperado dos vapores do secador por condensação seguida de destilação. Após esta etapa, as tiras de eletrodos revestidas e secas são enviadas para calandragem.

Calandragem

A calandragem é um processo de compactação no qual as tiras revestidas são prensadas entre rolos a uma temperatura e pressão prescritas. Isto é feito para garantir a distribuição uniforme dos poros e aumentar a força de adesão entre os materiais de revestimento do eletrodo e os coletores de corrente metálicos.

Cortando

Após a calandragem, as tiras de eletrodo são cortadas na largura de célula prescrita em uma máquina de corte longitudinal. As máquinas de corte convencionais são equipadas com lâminas ou cinzéis ajustáveis ​​para esse fim.

Secagem a vácuo

O processo de secagem convencional é realizado sob vácuo, com aquecimento entre 60 °C e 150 °C, por mais de doze horas, com a opção de fornecimento de gás inerte . A remoção da umidade garante a minimização de reações secundárias e corrosão. Assim, os níveis de umidade dos eletrodos são verificados após a secagem. Com essa etapa, os eletrodos estão prontos para a próxima fase, que é a montagem da célula.

Enrolamento

Nesta etapa, é realizada a formação cilíndrica multicamadas da bateria 18650. As tiras do ânodo e do cátodo, juntamente com a tira separadora intermediária, são enroladas em uma máquina especial que mantém tensões de enrolamento precisas e alinhamentos das folhas . Se a tensão de enrolamento for pequena, afetará a resistência interna e a taxa de entrada da carga na carcaça. Tensão excessiva pode facilmente causar curto-circuito ou risco de ruptura do eletrodo.

Soldagem

Nesta etapa, tiras metálicas chamadas Tabs são soldadas aos rolos do ânodo e do cátodo. Estas são as junções onde a eletricidade flui entre o circuito externo e os eletrodos da bateria. Esta é uma etapa desafiadora, pois danos causados ​​pela soldagem podem danificar a célula. A soldagem por resistência é amplamente praticada. A soldagem ultrassônica, que é muito mais cara, também é utilizada por alguns fabricantes. A Figura 3 mostra uma célula 18650 típica, após enrolamento e soldagem das abas.

Envolvente

Após o enrolamento e a soldagem das abas, cada rolo cilíndrico é colocado em seu invólucro de aço. O invólucro é preenchido com eletrólitos e selado. O processo de injeção de eletrólito é feito sob vácuo em atmosfera de gás inerte. A concentração de oxigênio deve ser inferior a 10 ppm para evitar a oxidação do eletrodo. O invólucro é então selado por soldagem a laser, para completar a fabricação da célula.

Formação/Envelhecimento

Embora as células tenham sido montadas, elas ainda não estão prontas para serem enviadas. Isso ocorre porque seus eletrodos devem ser ativados. Eles devem passar por vários ciclos de carga e descarga de baixa taxa, para formar películas protetoras nas superfícies dos eletrodos. O filme, denominado camada SEI, é formado pela decomposição e deposição do eletrólito na superfície do eletrodo. Esta etapa é chamada de etapa de formação. É gerado algum gás que deve ser removido. Após completar os ciclos de formação, as células são armazenadas em prateleiras envelhecidas para completa umedecimento eletrolítico e estabilização SEI. Após envelhecimento e desgaseificação final, as células estão prontas para serem embaladas e enviadas. Verificações de qualidade são realizadas antes da embalagem, para garantir que os produtos atendem às especificações exigidas.

Como testar a qualidade do 18650?

Os testes de qualidade de rotina para verificar as especificações nominais da bateria fornecidas nas folhas de dados da bateria são descritos abaixo. Aplicações específicas, como veículos elétricos, precisarão de testes muito mais rigorosos. Amostras aleatórias são selecionadas para teste de cada lote.

• Verificação Visual: Ausência de defeitos como arranhões profundos, rachaduras, ferrugem, descoloração ou vazamento.
• Verificação de dimensão: Precisão do diâmetro e comprimento a ser verificado.
• Teste de energia (potência) da bateria: é medido por testes padrão de carga e descarga. A carga padrão envolve o carregamento em corrente constante de 0.5C e também o carregamento em tensão constante de 4.2V com corrente gradual, parando finalmente em 50 mA. A descarga padrão envolve a descarga a uma corrente constante de 0.2C, até que uma tensão de 2.50V seja atingida.
• Teste de carga/descarga de alto dreno: A taxa de carga neste caso é em corrente constante de 0.5C até tensão de 4.20V e corrente final de 50mA. As células são então descarregadas em corrente constante de 0.5C até uma baixa tensão de 2.50V. As células ficam em repouso por 10 minutos após a carga e 20 minutos após a descarga.
• Ciclo de Vida: As células são carregadas e descarregadas de acordo com o teste de alto consumo, por 500 ciclos. Um ciclo é definido como uma carga e uma descarga. O 501^sta potência de descarga deve ser superior a 70% da potência inicial da bateria.
• Teste de armazenamento: As células são carregadas à taxa padrão e armazenadas em um ambiente com temperatura controlada a 23^ºC ± 2^ºC por 30 dias. Após o armazenamento, as células são descarregadas à taxa padrão. A potência residual deve ser superior a 90% da potência inicial.
• Teste de alta temperatura: As células são carregadas na taxa padrão e armazenadas em um ambiente com temperatura controlada a 60^ºC por 1 semana. Após o armazenamento, as células são descarregadas à taxa padrão e depois submetidas a ciclos de 3 ciclos para obter energia recuperada. A recuperação de energia deve ser superior a 80%.
• Teste de queda: As células são carregadas a uma taxa padrão e deixadas cair sobre um piso de madeira a uma altura de 1.0 metro. São realizadas um total de 3 gotas, compreendendo 2 gotas de cada terminal da célula e 1 gota da lateral do invólucro da célula. Não deve haver nenhum vazamento ou aumento de temperatura.

Segurança da bateria 18650 NMC

Muitos de nós usaríamos essas baterias em nossos dispositivos elétricos e eletrônicos portáteis ou em aparelhos e brinquedos domésticos. Como as baterias de íon de lítio podem pegar fogo devido a reações químicas descontroladas, as seguintes precauções gerais de segurança devem ser lembradas.

• Não use baterias visivelmente danificadas
• Verifique se os terminais positivo e negativo estão conectados corretamente no carregador.
• Certifique-se de que a bateria seja armazenada em um local seco, longe do calor ou da luz solar direta.
• Mantenha a bateria longe do alcance de crianças ou animais de estimação. Tenha especial cuidado com os brinquedos, não deixe as crianças brincarem sem supervisão com brinquedos que funcionam com bateria.
• Use apenas o carregador recomendado.
• Não misture especificações diferentes ou baterias novas e velhas no seu dispositivo.
• Não provoque curto-circuito na bateria com fios ou qualquer material condutor.
• Sempre compre baterias de íon de lítio protegidas. Eles têm proteção embutida contra o comum. perigos, como sobrecarga, descarga excessiva, curto-circuito/sobrecorrente e temperatura.

Como armazenar as células 18650

Quando as baterias 18650 precisam ser armazenadas em grandes quantidades ou em grandes fontes de alimentação estacionárias, o maior risco é o incêndio descontrolado. As precauções típicas para mitigar o risco de incêndio são as seguintes:

• Realize inspeções visuais frequentes das baterias em busca de sinais de danos
• Os locais de armazenamento devem ser secos, frescos, bem ventilados e isentos de altos níveis de umidade.
• Não armazene materiais inflamáveis ​​ou combustíveis nas proximidades.
• Mantenha objetos pontiagudos e materiais condutores longe das baterias.
• Garantir que a equipe esteja totalmente treinada sobre os procedimentos de emergência
• A equipe deve estar ciente das precauções especiais ao lidar com incêndios envolvendo baterias de íons de lítio.
• Armários de metal exclusivos para armazenamento de baterias ou sacos de segurança à prova de fogo estão disponíveis e devem ser usados.
• A área de armazenamento deve ter sistema de detecção de fumaça adequado que forneça aviso adequado aos outros ocupantes do edifício
• Limite o tamanho das áreas de armazenamento e não armazene mais nada na mesma área.
• Fornecer um sistema fixo adequado de inundação com agente extintor.