Конструкция ячеек

Компоненты

Основными компонентами батареи являются электроды с клеммами для присоединения ко внешней цепи, сепаратор для предотвращения короткого замыкания электродов, электролит, который переносит заряженные ионы между электродами и корпус, содержащий этот электролит и удерживающий электроды.

Корпус

Корпусом может служить просто жёсткий контейнер из стекла, пластика или металла, изолированный от электродов, чтобы не создавать путь для тока в батарее. Свинцово-кислотные батареи обычно имеют такой контейнер. Металлический корпус может быть использован в качестве одного электрода, уменьшая расход материалов, как это происходит в случае с угольно-цинковыми элементами Лекланше. Примерами различных корпусов могут служить перезаряжаемые литиевые ячейки, приведённые ниже.

Пластиковый корпус
Жёсткий, легко упаковывается, горючий, недорогой. Позволяет использовать как плоские, так и цилиндрические электроды. Сохраняет тепло, плохо рассеивает его.
Используется в батареях до 1 000 ампер-часов.
Цилиндрический стальной корпус
Жёсткий, позволяет осуществить высокую энергетическую плотность, плохо упаковывается, оставляя пустое пространство. Позволяет охлаждать потоком воздуха, дорогой, используется в аккумуляторах до 200 ампер-часов.
Призматический металлический корпус (сталь или алюминий)
Жёсткий, легко упаковывается, дорогой, позволяет использовать как плоские, так и цилиндрические электроды. Позволяет осуществить высокую плотность энергии и хорошо рассеивает тепло, выпускается до 200 ампер-часов.
Карманные аккумуляторы
Уязвимые, недорогие, легко проектируются любых размеров, сложны в изготовлении. Могут обладать высокой плотностью энергии, но она снижается из-за того, что им необходим корпус. Склонны к протечкам, меньзе повреждений при разрушениях. Хорошо рассеивают тепло, изготовляются в больших объёмах, экономичны при малых объёмах. Выпускаются до 240 ампер-часов.
Маленькие цилиндрические и призматические ячейки
Металлические банки. Имеют низкую стоимость при производстве в стандартных корпусах. Выпускаются в очень больших объёмах. Сложная и дорогая упаковка и системы управления даже для аккумуляторов малой ёмкости. Выпускаются до 5 ампер-часов.

Электроды

Электродным материалом может быть жёсткая металлическая сетка, как в свинцово-кислотных батареях, или активный электродный материал может быть включён или нанесён на спиральную металлическую фольгу, которая будет играть роль проводника тока, как это происходит во многих никелевых или литиевых ячейках. Смотрите подробнее производство батарей.

Сепаратор

Сепаратор может быть механическим разделителем, фиберглассом, гибкой пластиковой плёнкой или может быть сделан из нейлона, полиэтилена или полипропилена. Он должен быть достаточно пористым и очень тонким, чтобы обеспечить протекание заряженных ионов без преград, и должен занимать возможно меньшее пространство, чтобы оставить максимум места для активных электролитов. В то же время он должен быть устойчив к заусенцам и наростам на электродных пластинах и к их заргрязнению для предотвращения коротких замыканий между электродами. Эти характеристики должны обеспечиваться при максимальной рабочей температуре, когда происходит размягчение пористых материалов или снижение их устойчивости. Разрушение сепаратора является потенциально слабой зоной в высокомощных ячейках, для этого были разработаны специальные материалы для сепараторов.

Клеммы

Существует много способов присоединения электродов от пружинных контактов через провода до механического прижима. Основным требованием является способность клемм пропускать максимальный ток без перегрева, поскольку электроды присоединяются непосредственно к ним. Это правило требует внимательной разработки соединений для пропускания тока через максимальную поверхность электрода, чтобы не возникало точек нагрева. Смотрите так же внешние соединения в конструировании батарей.

Электролит

Многие годы электролит имел водную или гелевую форму. Сравнительно недавно был изобретён твёрдый электролит, который не склонен к протечкам. Кроме безопасности в случае выхода из строя, они так же открывают новые свободы в конструировании форм батарей. Полимерные электролиты обычно используются в литиевых батареях.

Внутреннее устройство

В общих чертах, напряжение ячейки определяется типом электролита, ёмкость зависит от веса активных химических веществ, а ток (или мощность) определяется поверхностью электродов. Менее широко все эти параметры, а так же температурные свойства зависят от внутреннего сопротивления ячейки, которое зависит от проводимости электролита и сопротивления других компонентов на пути тока.

Таким образом, размер, форма и материлы, используемые в производстве аккумуляторов, оказывают влияние на электрическую эффективность ячейки.

Электроды

Для заданного электролита и внутри доступного пространства ячейки, её эффективность может быть оптимизирована для ёмкости или мощности.

Увеличение поверхности электродов увеличивает способность ячейки проводить ток. Таким образом, ячейка может отдавать больше мощности и может заряжаться быстрее
Увеличение объёма электролита позволит увеличить энергию, которую будет способна хранить ячейка

Основной выбор делается между площадью электродов и объёмом электролита, который можно поместить в доступное пространство. Высокомощные ячейки требуют электроды с большой площадью поверхности, которые могут проводить больший ток, но так же займут больше пространства в блоке и уменьшат допустимое количество электролита и уменьшат ёмкость ячейки.

Эффективная площадь электродов может быть увеличена без увеличения физического размера изготовлением пористой поверхности и использованием материалов с малым размером частиц. Это позволяет увеличить активную поверхность электродов от 1 000 до 100 000 раз, позволяя достигать больших значений токов.

Высокомощные ячейки требуют больших объёмов электролита, который должен быть размещён между электродами. Это приводит к двойному эффекту уменьшения мощности ячейки. Сначала электроды делаются меньше для освобождения пространства для электролита, что приводит к уменьшению тока. Затем, из-за увеличенного объёма электролита, требуется больше времени для химических реакций в процессе заряда/разряда для полного протекания процессов в электролите (подробнее смотрите циклы заряда).

В качестве примера: литий-ионные ячейки, оптимизированные для ёмкости, могут выдерживать пиковые значения ток в размере 2-3 ёмкостей короткий период времени, в то время как ячейки, оптимизированные для мощности, могут выдавать значения в 30-40 ёмкостей.

Четыре самых распространённых варианта показаны ниже. За годы появилось множество вариантов этих основных типов, пригодных для разных типов электролитов. Высокомощные ячейки обычно содержат специальные защитные устройства, разработанные в соответствии с мерами безопасности.

Катушечные электроды

Такая конструкция электродов больше века использовалась в угольно-цинковых элементах (Лекланше). Более сложным современным аналогом являются щелочные элементы. Они представляют собой цилиндрическую конструкцию, использующую внутренний цилиндрический электрод, обычно в форме штыря, который погружён в электролит, контейнером для которого является наружный электрод в форме цилиндрической чашки. Сепаратор в форме футляра отделяет электроды друг от друга.

Преимуществом этой конструкции является её простота и возможность хранить большое количество электролита и обеспечивать высокую ёмкость и длительный срок эксплуатации, но поверхность электродов достаточно мала, что сказывается на высоком внутреннем сопротивлении и ограничивает рабочий ток. Кроме этого, малая рабочая зона электродов приводит к низкому значению саморазряда и, таким образом, продлевает срок жизни батареи. Эта батарея является идеальной для многих устройств, использующих первичные элементы питания, и их производство налажено в огромных количествах.

Плоские электроды

Справочная информация - евробатареи.

Плоские электроды обычно используются в свинцово-кислотных ячейках, известных больше сотни лет истории и разработки. Электроды изготовляются в форме плоских пластин, погружённых в электролит, налитый в контейнер, который не принимает участие в химической реакции. Сепаратор между пластинами предотвращает их соприкосновение и короткое замыкание. Эта конструкция так же является простой и используется для различных типов электролитов. Она обладает целым рядом преимущество, поскольку легко может быть масштабирована к большим объёмам, большим пластинам для обеспечения высоких значений токов и к большим контейнерам для обеспечения высокой вместимости заряда.

Спиральные электроды

В поиске возможности увеличить ток, необходимо увеличить активную поверхность электродов, но размер ячейки ограничивает допустимый размер электродов. Одним из путей увеличения поверхности электродов является изготовление их в виде длинных полос и скручивание их с сепараторами в цилиндрический валик. Так сопротивление ячейки становится наименьшим. Обратной стороной этого подхода является то, что электроды занимают внутри корпуса больше места и уменьшается количество пространства для электролита и снижается возможность хранения энергии в ячейках. Такая конструкция широко используется для вторичных ячеек. Примером служат литий-ионные ячейки, но эта же технология используется и для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных ячеек, иногда даже для свинцово-кислотных ячеек, разработанных для отдачи высоких значений токов.

Спиральные электроды не обязательно должны иметь цилиндрическую форму - так же они могут быть в форме прямоугольника в поперечном сечении, чтобы вмещаться в призматические корпуса, которые могут быть алюминиевыми или стальными. Такая конструкция идеально подходит для автоматизации производства.

«Кнопки» и «пуговицы»

Большинство ячеек такого типа имеют ту же базовую конструкцию, как и показанная на диаграмме выше, эти типы ячеек используются там, где требуется малый размер. Как и катушечные элементы, они имеют относительно высокую ёмкость, но низкие значения разрядного тока.

Многоэлектродные ячейки

Монополярная конфигурация
В этой конфигурации батарея собирается из отдельных ячеек с внешним соединением для образования последовательной или параллельной цепи.
Уложенные электроды {#stacked}
Этот пример является монополярной конфигурации. Вспомним Вольтов столб, положительные и отрицательные пластины, переложенные слоями изолятора между ими. Эта конструкция обеспечивает энергетическую эффективность и форму, типичную для высокомощных литий-полимерных ячеек с твёрдым полимерным электролитом, отделяющим ячейки.
Биполярная конфигурация {#bipolar}
В биполярных батареях ячейки уложены рядом друг с другом, так что отрицательная клемма одной соединяется с положительной клеммой следующей. Электроды, часто называемые дуплексными электродами, распределены между двумя последовательно соединёнными электрохимическими ячейками так, что одна сторона электрода выступает как анод в одной ячейке, а другая сторона выступает как катод в следующей ячейке. Анодные и катодные секции электродов разделены электропроводящей мембраной, которая не позволяет протекать через них ионом и служит одновременно разделителем и последовательным соединителем.
Эта конструкция достаточно эффективна и уменьшает количество пластин и количество внешних соединений, уменьшая вес батарей, увеличивая плотность энергии и уменьшая стоимость. Путь протекания тока короче и резистивные потери будут меньше, что позволит батарее работать с большей мощностью. Биполярные батареи обычно используются для топливных ячеек в топливных элементах, в которых электролит протекает или прокачивается через ячейки, но технология недавно была значительно упрощена для использования в автомобилях с несколько другими типами электролитов.
Биполярные ячейки страдают от большого саморазряда из за тока, который возникает через электролит из за того, что электроды одинаковой полярности находятся под различным потенциалом. Биполярные батареи так же называют «слоистыми».

Соединения электродов

Внутреннее сопротивление ячейки и распределение токов и потенциалов внутри неё так же зависиот от геометрии, которая может быть оптимизирована для обеспечения жёстких соединений, минимальной длинных путей для тока и для распределения тока от горячих точек или потенциалов, которые могут привести к разбалансировке и опасным химическим реакциям в различных частях электродов.

Запечатанные и рекомбинантные ячейки

Большинство батарей в наши дни используют электролит, запечатанный в корпус батареи для предотвращения утечки электролита и выбросов газовых продуктов заряда или разряда в атмосферу. Ячейки могут включать катализатор для рекомбинации этих продуктов, и тогда такие ячейки называются рекомбинантными.

Клапаны

Когда ячейка полностью герметизирована, высокое внутреннее давление может привести к разрушению корпуса из-за расширения газов под действием высокой температуры. В качестве меры безопасности такие ячейки обычно включают клапаны для выпуска излишнего давления контролируемым способом.

Корпуса ячеек

Как и с внутренней конструкцией ячеек, существует множество вариантов корпусов. Некоторые стандартные низкомощные корпуса приведены ниже.

Цилиндрические ячейки

Изображение выше показывает наиболее общие размеры ячеек от разных производителей. Формы могут быть стандартизованы, но напряжения и электролиты не могут. Четыре наиболее больших размера могут быть элементами: Лекланше, щелочными, никель-кадмиевыми, никель-металл-гидридными, литиевыми с напряжениями от 1,2 до 3,7 вольт. Первые два типа электролитов используются в первичных элементах и основаны на катушечной конструкции. Оставшие электролиты используются во вторичных ячейках со спиральным расположением электродов. Требуется внимательность для подключения зарядных устройств к соотсветствующим типам ячеек.

Цилиндрические ячейки обеспечивают высокую механическую прочность, хорошую энергетическую плотность и низкую стоимость. Следует отметить, что 90% переносных устройств, питающихся от батарей, требуют типы AA, C или D.

Многоячеечные батареи

Две показанных выше батареи сделаны из группы цилиндрических ячеек. Корпус типа 23A вмещает восемь ячеек по 1,5 вольта, а корпус PP3 - шесть ячеек.

Основные потребительские батареи

«Кнопки» и «пуговицы»

Батареи в формах «кнопок» и «пуговиц» так же доступны для различных размеров, напряжений и электролитов (так же доступны воздушно-цинковые элементы, которые не показаны).

Карманные (мешочные) ячейки

Батареи такого типа обычно используют литий-полимерные ячейки с твёрдым электролитом, обеспечивающим гибкость и дешевизну конструкции. Электроды и твёрдый электролит обычно покрыты слоем фольги с помощью ламинатора. Твёрдый электролит обеспечивает безопасность конструкции и отсутствие протечек. Конструкция фольги позволяет получать очень тонкие и лёгкие ячейки, пригодные для высокомощных устройств, но из за твёрдости конструкции они имеют тенденцию изгибаться при росте температуры. Допуск должен быть сделан для обеспечения возможности изгиба при выборе пространства для отсека батареи. Ячейки так же уязвимы ко внешнему механическому повреждению и комплект батарей должен быть спроектирован таким образом, чтобы предотвратить возможность этого воздействия.

Призматические ячейки

Призматические ячейки обычно помещаются в прямоугольный контейнер. Электроды обычно плоские или скручены в спираль в форме контейнера. Обычно они разрабатываются так, чтобы иметь очень тонкий профиль для использования в маленьких электронных устройствах, как мобильные телефоны. Призматические ячейки обеспечивают лучшее использование пространства в стоимости относительно высоких энергетических затрат, меньшую плотность энергии и большую уязвимость к протечкам, но эти эффекты не составляют основу для их недостатков.

Тонкие гибкие (плёночные) батареи

Тонкие гибкие батареи изготавливаются для использования твёрдого литий-полимерного электролита и различных подложек для создания уникальных батарей для специального применения. Тонкая плёночная батарея может быть размещена непосредственно на микросхемах в любой форме или размере, может быть отпечатана на пластике, тонкой фольге или бумаге. Из-за малых размеров возможность хранения энергии очень низка, но этот тип батарей обладает обладает уникальными свойствами, которые отличают их от других:

Полностью твёрдая конструкция
Батарея может быть интегрирована непосредственно в цепь питания
Возможно изготовление гибких батарей
Могут быть изготовлены любой формы или размера
Длительный срок эксплуатации
Работоспособны в широком диапазоне температур
Высокая энергетическая плотность и плотность мощности
Цена и затраты пропорциональны площади
Отсутствуют проблемы с безопасностью

Тонкие плёночные батареи могут использоваться в широком диапазоне потребительских микроустройств. Батареи от Oak Ridge Micro-Enery разрабатываются для имплантируемых медицинских приборов.

Гибкие батареи так же пригодны для питания смарт-карт и радиочастотных идентификаторов. Будучи в разработке более десяти лет, плёночные батареи сравнительно недавно стали доступны в коммерческих масштабах.

Высокомощные батареи

В то время, как для низкомощных батарей существует некоторая стандартизация, нельзя сказать того же о высокомощных ячейках и батареях, которые производятся в широком диапазоне размеров с использованием различных конструкций. Они бывают в фольгированных мешках, пластиковых или стеклянных коробках и цилиндрических стальных трубах. Справа показана литиевая ячейка напряжением 3,7 вольта, цилиндрическая ячейка имеет ёмкость 60 ампер-часов, а призматическая - 200 ампер-часов. Маленькая ячейка на переднем плане - для сравнения - батарея типоразмера AAA.

Низкое внутреннее сопротивление является важным требованием к этим ячейкам, что требует толстых проводников и низкого сопротивления пермычек между ячейками. В связи с тем, что эти ячейки обычно проектируются для высоких значений токов, что обычно приводит к их нагреву, они обычно обладают повышенными возможностями охлаждения. Это могут быть каналы внутри ячейки или специальные рёбра снаружи, которые позволят отводить тепло в определённом направлении.

Время и затраты

Для того, чтобы достичь высоких экономических результатов и, в то же время, обеспечить соответствие стандартам качества, ячейки обычно производятся в больших объёмах на автоматизированной линии производства. Время для разработки и испытания всех новых технологий для батареи обычно составляет 10 лет, а стоимость производственной линии для изготовления новых батарей может составлять 3-10 миллиардов рублей и даже больше. Продажи должны осуществляться сотнями миллионов, чтобы обеспечить отдачу капитала.

Номенклатура

Идентификация ячеек

Существует некоторая путаница в стандартах ячеек для разных систем, используемых в Европе, США и Японии, наравне со стандартами отдельных производителей. Один из стандартов предлагает использовать две буквы с последующим набоором цифр. Первая буква обозначает тип электролита, вторая буква обозначает форму ячейки. Цифры показывают размеры ячейки в миллиметрах. Для цилиндрических ячеек первые две цифры показывают диаметр, оставшиеся - длину, для призматических ячеек первые две цифры показывают толщину, ещё две - высоту и оставшиеся две цифры - ширину.

Из-за наличия большого числа стандартов единственным надёжным способом однозначно идентифицировать ячейку становится чтение справочных листов производителей. Ниже приведены несколько примеров.

Ячейки общего назначения
Цилиндрические ячейки {#liion-cylindrical}
Ячейки общего назначения с литий-ионным электролитом в цилиндрическом корпусe диаметром 18 мм и высотой 65 мм
Призматические ячейки
Энергетические ячейки
Все ячейки в таблице имеют напряжение 3,6 вольт и пластиковый корпус