Zgradba celic tipa 18650 | Econo
Zgradba celic tipa 18650
Kako je sestavljena najaktualnejša Li-ionska celica?

Li-ion baterija tipa 18650 je sestavljena iz cilindričnega ohišja narejenega iz ponikljanega jekla. Komponente (notranjost) celice so razvrščene v tri glavne skupine:

  • t.i. žele rola (angl. Jelly roll),

  • tokovni povezovalniki (angl. Current connectors) in

  • varnostne komponente (angl. Safety devices). 

Žele rola vsebuje katodo (pozitivna elektroda), anodo (negativna elektroda) in elektrolit (po navadi v tekočem stanju), ki je dodan ločilniku (angl. Separator).

Sestavni deli žele role.

Ločilnik ločuje katodo in anodo in je neprevoden za elektrone ter prevoden za ione. Katoda je narejena iz aluminijaste folije. Prevlečena je s plastjo mešanice različnih kovinskih oksidov kot so litij, nikelj, kobalt, mangan, železo in aluminij. Najpogosteje so katode prevlečene z:

  • Litij nikelj kobalt manganovim oksidom (LiNiCoMnO2 – pogosto uporabljena komercialna kratica je NCM)

  • Litij nikelj kobalt aluminijevim oksidom (LiNiCoAlO2 – pogosto uporabljena komercialna kratica je NCA)

  • Litij manganovim oksidom (LiMn2O4 – pogosto uporabljena komercialna kratica je LMO)

  • Litij nikelj manganovim oksidom (LiNi0.5Mn1.5O4 – pogosto uporabljena komercialna kratica je LNMO)

  • Litij kobaltovim oksidom (LiCoO2 – pogosto uporabljena komercialna kratica je LCO)

Anoda je narejena iz bakrene folije. Prevlečena je večinoma s plastjo grafita. Uporabljata se tudi ogljik ali silicij. Elektrolit je sestavljen iz litijeve soli v organskem topilu. Nanešen je na ločilnik, ki je narejen iz polietilena, polipropilena ali keramike. Debelina ločilnika je navadno 20 µm. Tokovni povezovalniki se ločijo na zunanje priključke, ter vodila od elektrod do zunanjih priključkov. Pozitivni priključek je na vrhu celice. Vodilo do pozitivnega priključka je  tanki kovinski  trak. Povezuje  pozitivno elektrodo  z   zunanjim  priključkom. Narejena je  iz aluminijeve zlitine.

Negativni priključek je na spodnjem delu celice. Sicer je celotno ohišje razen  pozitivnega  priključka  na  negativnem  potencialu, vendar je celica  ob strani   po navadi izolirana  s  termo skrčljivo  PVC folijo. Vodilo  do  negativnega  priključka  oziroma  ohišja  je tanki kovinski trak narejen iz nikljeve zlitine. Povezuje negativno elektrodo z negativnim priključkom in je zavarjen na ohišje.

Varnostne komponente

Za pravilno in varno uporabo baterij so v celice vgrajene tudi varnostne komponente, saj so Li-ion baterije sestavljene iz visoko energijskih materialov ter vnetljivega elektrolita in lahko predstavljajo nevarnost za okolico. Posledično tako Evropska unija kot tudi Republika Slovenija zahtevata splošno varnost vseh proizvodov, ki pridejo na trg. Obstaja veliko različnih varnostnih standardov. Celice, ki smo jih uporabili v tem delu, imajo med drugimi tudi certifikat, da izpolnjujejo standard SIST EN 62133-2:2017. Ta certifikat govori o varnostnih zahtevah za prenosne zatesnjene sekundarne člene (kar pomeni, da se lahko ponovno napolnijo) in za baterijske pakete narejene iz njih. Varnostne komponente so:

  • Ohišje celice. Ohišje nudi zaščito za žele rolo. Celico varuje pred zunanjimi vplivi in silami, saj so folije v žele roli zelo tanke in se hitro deformirajo. Ohišje je narejeno iz nerjavečega jekla, ki je ponikljano.

  • Izolacijska ploščica. To je tanka okrogla plastična ploščica in se uporablja med dvema prevodnikoma. V celici sta dve taki ploščici ena pod žele rolo in ena nad njo.
  • Tesnilo. To je izolacijski material, ki zatesni prostor med pozitivni priključkom in ohišjem ter elementom z pozitivnim temperaturnim koeficientom. Loči torej pozitivni in negativni del ohišja, ter vzdrži večje pritiske stiskanja (npr. pri točkovnem varjenju).

  • Element s pozitivnim temperaturnim koeficientom (angl. Positive temperature coefficient - PTC). To je temperaturno odvisen prevodni element, ki se uporablja za omejitev toka pri visokih temperaturah. Ko se temperatura bliža mejni temperaturi, se upornost PTC elementa bistveno poveča. Tok polnjenja/praznjenja je posledično zmanjšan. PTC element je lociran med pozitivnim priključkom in proti-eksplozivnim ventilom.

  • Proti-eksplozivni ventil je mehanska naprava, ki preprečuje eksplozijo celice. Če se pritisk znotraj celice poveča preko normalne meje, se ventil odpre in se pritisk izenači. Nahaja se med PTC elementom in izolacijsko ploščico.

  • Izpušne luknje so del prezračevalnega sistema, preko katerega se nastali plini ob odprtju proti-eksplozivnega ventila sprostijo.

Plini v celici se v glavnem ustvarijo zaradi nepravilne uporabe, npr. predolgega polnjenja, fizične poškodbe celice ali notranjih kratkih stikov.

Tipična zgradba cilindrične Li-ion celice.
Razlike baterijskih paketov
Lastnosti baterij in kateri tip baterije je trenutno najaktualnejši?