Ventajas y desventajas de las baterías prismáticas, las baterías cilíndricas y las baterías de bolsa

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Todos sabemos que las celdas de batería se pueden clasificar principalmente en tres tipos: baterías prismáticas de carcasa de aluminio, baterías cilíndricas y baterías de bolsa. Cada uno de ellos tiene sus propias características. Actualmente, las baterías prismáticas dominan el mercado de las baterías de energía para vehículos eléctricos (EV), mientras que las baterías de bolsa se utilizan principalmente en la electrónica de consumo. Las baterías cilíndricas sirven como una opción rentable para ocupar una cuota de mercado. Sin embargo, estos tres tipos de baterías tienen sus ventajas y desventajas.

Célula cilíndrica

Ventajas: Las celdas cilíndricas fueron uno de los primeros productos de baterías de litio industrializados maduros. Después de más de dos décadas de desarrollo, el proceso de producción de baterías cilíndricas de litio ha madurado. Tienen una alta eficiencia de producción y costos relativamente bajos. Como resultado, el costo de los paquetes de baterías que utilizan celdas cilíndricas es relativamente bajo. Las baterías cilíndricas también tienen mayores rendimientos de producción en comparación con las baterías prismáticas y de bolsa. Exhiben una buena consistencia y rendimiento de seguridad también.

Desventaja: Las celdas cilíndricas, generalmente encerradas en carcasas de acero, tienen niveles de seguridad más altos pero tienden a ser más pesadas, lo que resulta en una menor densidad de energía en comparación con otros tipos. La forma cilíndrica también conduce a una menor utilización del espacio y problemas de conductividad térmica radial, lo que afecta la distribución de la temperatura. Debido al pobre rendimiento térmico radial de las baterías cilíndricas, el número de devanados en una sola celda es limitado (generalmente alrededor de 20 devanados para celdas 18650), lo que resulta en capacidades individuales más pequeñas. Cuando se utiliza en vehículos eléctricos, se requiere un gran número de celdas individuales para formar módulos y paquetes de baterías, lo que aumenta las pérdidas de conexión y la complejidad en la gestión del sistema de gestión de baterías (BMS).

Célula prismática

Ventajas: Las baterías prismáticas rígidas suelen estar hechas de materiales como aleación de aluminio o acero inoxidable y empleanBobinado o apilamientoprocesos internos. Proporcionan una mejor protección para la celda en comparación con las baterías de película de aluminio y plástico (es decir, baterías de bolsa), y la seguridad de la celda ha mejorado significativamente en comparación con las baterías cilíndricas. Sin embargo, las baterías prismáticas rígidas tienen requisitos más altos para el diseño del sistema de refrigeración.

La tasa de adopción de baterías prismáticas es alta en China. Con el auge de las baterías de energía eléctrica para vehículos eléctricos en los últimos años, la contradicción entre la autonomía del vehículo y la capacidad de la batería se ha vuelto cada vez más prominente. Los fabricantes de baterías de energía doméstica utilizan principalmente baterías prismáticas de aluminio de alta densidad de energía como opción principal.

Ventajas: El empaque de las celdas prismáticas está hecho principalmente de materiales como aleación de aluminio y acero inoxidable, y la estructura interna utiliza procesos de bobinado o apilamiento. Esto proporciona una mejor protección para la celda en comparación con las baterías de litio de bolsa. La seguridad de la celda mejora significativamente en comparación con las baterías cilíndricas de litio. La estructura de las baterías prismáticas es relativamente simple. A diferencia de las baterías cilíndricas que requieren carcasas de acero inoxidable de alta resistencia y accesorios adicionales como válvulas de seguridad a prueba de explosiones, las baterías prismáticas tienen un peso total de accesorios más ligero. También tienen una densidad de energía relativamente más alta, lo que reduce el número de celdas individuales y reduce los requisitos para el sistema de gestión de baterías (BMS).

Desventajas: La personalización de los paquetes de baterías prismáticas de acuerdo con las dimensiones del producto puede dar lugar a una amplia variedad de modelos diferentes de baterías prismáticas en el mercado. La abundancia de diferentes modelos de baterías dificulta la estandarización del proceso de fabricación, lo que resulta en niveles más bajos de automatización y variaciones significativas en las celdas individuales. Esto puede llevar a que los paquetes de baterías compuestos por baterías prismáticas de litio tengan una vida útil mucho menor que las baterías individuales.

Célula de bolsa

Los materiales y las técnicas de procesamiento utilizados enpilas de bolsano son significativamente diferentes de las baterías tradicionales de acero o aluminio. La principal diferencia radica en el uso de materiales de empaque flexibles, específicamente la película compuesta de aluminio y plástico, que es un material clave y altamente desafiante en las baterías de litio de bolsa. El material de embalaje flexible suele constar de tres capas: una capa de barrera exterior (normalmente de nailon BOPA o PET para protección), una capa de barrera (papel de aluminio en el medio) y una capa interior (una capa multifuncional de alta barrera).

Ventajas: Las baterías de litio de bolsa tienen varias ventajas:

Las baterías de bolsa tienen un menor riesgo de explosión en comparación con las baterías rígidas. El empaque de película de aluminio y plástico utilizado en las baterías de bolsa proporciona una mejor protección y reduce las posibilidades de una falla catastrófica. Las baterías de bolsa ofrecen una mayor densidad de energía. Son más ligeras que las baterías de litio de acero de capacidad equivalente en aproximadamente un 40% y más ligeras que las baterías de aluminio en aproximadamente un 20%. Esto permite un mayor almacenamiento de energía en un factor de forma más pequeño y ligero.

Desventajas: Las baterías de bolsa actualmente necesitan resolver problemas como la estandarización y el alto costo, la gran dependencia de las importaciones de películas de aluminio y plástico y la mala consistencia.

En general, las baterías cilíndricas, prismáticas y de bolsa tienen sus propias ventajas y desventajas, y cada tipo domina en áreas específicas. El método de embalaje óptimo puede determinarse en función de las características del material de la batería, el campo de aplicación y los requisitos del producto, teniendo en cuenta las características específicas de cada forma de embalaje. Cada tipo de empaque tiene sus propios desafíos tecnológicos, y un buen diseño de batería implica problemas complejos en áreas como la electroquímica, la gestión térmica, la ingeniería eléctrica y la ingeniería mecánica. Impone grandes exigencias al diseño general de la batería y el sistema.

El rendimiento en materia de seguridad también es una preocupación crucial para los consumidores. Independientemente del tipo de celda de la batería, es necesario someterse a una serie de pruebas de seguridad, como cortocircuito externo, sobrecarga, exposición a altas y bajas temperaturas, resistencia a explosiones, sobredescarga, resistencia a baja presión, ciclos de temperatura, vibración, choque de aceleración, caída, compresión, perforación, resistencia al impacto, abuso térmico, combustión y lavado, de acuerdo con estándares de prueba como GB38031, GB31241, UN38.3, GB/T31485. Una batería se considera calificada cuando demuestra resistencia al fuego, a la explosión y a las fugas.

Haciendo una comparación exhaustiva:

a. Cilíndrico: Las baterías cilíndricas tienen una buena estandarización, con solo tres factores de forma principales: 18650, 2170 y4680. Tienen una larga historia y procesos de fabricación maduros, que se originaron a partir de la invención de Sony en 1992 (la primera batería comercial de litio). Las baterías cilíndricas tienen altos niveles de automatización, una fuerte consistencia del producto y costos relativamente bajos. Sin embargo, tienen limitaciones en la disipación de calor radial, lo que restringe el número de capas de bobinado y da como resultado capacidades de celdas individuales más bajas. Esto significa que se requieren cientos o miles de celdas, junto con técnicas avanzadas de gestión térmica de la batería. Además, la eficiencia del empaque es baja durante la agrupación de celdas y la carcasa de acero agrega peso, lo que resulta en una densidad de energía relativamente menor cuando se agrupa.

b. Prismático: Las baterías prismáticas tienen un proceso de fabricación más sencillo y proporcionan protección a las células. Tienen menos dificultad cuando se agrupan y ofrecen una mayor densidad de energía en comparación con las baterías cilíndricas. Sin embargo, las baterías prismáticas carecen de estandarización, con una amplia gama de modelos y desafíos para lograr la uniformidad del proceso. Si bien las baterías prismáticas se fabricaban tradicionalmente utilizando técnicas de bobinado, también se están utilizando enfoques más nuevos, como las celdas de bolsa apiladas.

c. Bolsa: Las baterías de bolsa ofrecen un factor de forma delgado y flexible, lo que permite una mayor densidad de energía. Sin embargo, tienen una menor resistencia mecánica y requierenProcesos de fabricación. También tienen requisitos más altos para la agrupación de células.

La forma de empaque también se puede dividir en bobinado y laminación de otra dimensión. Entre ellos: las celdas cilíndricas solo se pueden laminar, los paquetes de bolsas solo se pueden laminar y las celdas prismáticas se pueden laminar y laminar. Comparando estos tres paquetes, se puede decir que son solo la mitad de buenos entre sí, y todos entran en la categoría de usabilidad y facilidad de uso. Una vez que una empresa automotriz decide qué paquete usar, no lo cambiará fácilmente a menos que haya un cambio drástico en el patrón del proceso de empaque. La tecnología de envasado que se desarrollará bien en el futuro depende principalmente de la empresa automovilística que se desarrolle bien.

Por ejemplo, las baterías cilíndricas de Tesla y Panasonic: Tesla ha estado utilizando baterías cilíndricas y sigue haciéndolo. Panasonic, estrechamente asociada con Tesla, también se ha centrado en las baterías cilíndricas. En 2017, Panasonic tuvo la mayor cuota de mercado del mundo con 9,9 GWh de capacidad instalada, lo que representa el 16,7%.

Vehículos chinos de nueva energía y baterías prismáticas: China tiene un volumen significativo de vehículos comerciales de nueva energía (utilizados principalmente en autobuses urbanos), y han mostrado preferencia por las baterías prismáticas. En consecuencia, los proveedores de baterías dan prioridad a la producción de baterías prismáticas, que luego son adoptadas por los fabricantes de vehículos de pasajeros. Además, Alemania también favorece las baterías prismáticas. Como resultado, la mayoría de las baterías utilizadas en China son actualmente prismáticas, dado el fuerte desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía de China, lo que hace que las baterías prismáticas sean la opción principal.

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