携帯電子機器、再生可能エネルギー、最新のハードウェア設計など、今日の急速に変化する世界では、適切な電源の選択が製品のパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。{0}
エンジニア、製品開発者、ビジネスバイヤーにとって、リチウムポリマー電池とリチウムイオン電池の比較通常、決定はいくつかの実際的な質問に帰着します。どのくらいのエネルギーが必要ですか?どのくらいのスペースがありますか?製品はどれくらいの電流を消費しますか?また、バッテリーはどれくらい持続する必要がありますか?
どちらのテクノロジーも充電式リチウム電池ファミリーに属します。ただし、セルの構造、パッケージング、製造、機械設計、現実世界のパフォーマンスは異なります。-
このガイドでは、それらのコア構造、性能特性、安全性に関する考慮事項、および一般的なアプリケーションを比較します。目標は、正しい選択を支援することですカスタムバッテリーソリューションBlumoti Battery のエンジニアリングに関する洞察を活用して、お客様の製品に最適なソリューションを提供します。
コア アーキテクチャを理解する: リチウムイオンとリポ-
の違いを理解するには、リチウム-ポリマー電池、と呼ばれることが多いリポバッテリーまたはリチウム-電池、および標準リチウム-電池、としても知られていますリチウムイオン電池-またはリチウムイオン電池、細胞内にあるものから始めると役立ちます。[1]
リチウム-イオン電池
一般的な 18650 セルや 21700 セルを含む従来の円筒型リチウム- イオン バッテリーは、通常、有機炭酸塩溶媒に溶解した LiPF6 などのリチウム塩から作られた液体電解質を使用します。[1]
電解質は、充電および放電中にカソードとアノードの間でリチウムイオンを運びます。
これらのセルは通常、硬い金属製の筐体に収容されています。円筒形セルは通常、鋼鉄またはニッケルメッキ鋼板を使用しますが、多くの角柱型の設計ではアルミニウムまたは別の剛性の金属ハウジングが使用されます。[2]
剛性の高いケーシングは機械的保護を提供し、内部圧力の管理に役立ち、標準化された大量生産をサポートします。{0}}[2]
Blumoti のウェブサイトで、円筒型リチウム-イオン電池をさらに詳しくご覧ください:
https://www.blumoti-battery.com/cylindrical-リチウム-電池
Blumoti のウェブサイトで、円筒型リチウム-イオン電池をさらに詳しくご覧ください:
https://www.blumoti-battery.com/lithium-battery-cell/
主な構造的および経験的な違いの概要
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キーパラメータ |
リチウム-イオン電池(リチウム-イオン) |
リチウムポリマー電池(LiPo) |
科学的/経験的参考資料 |
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電解質の種類 |
液体電解質 |
ポリマー-サポート、ゲル-、または関連する電解質システム |
[1] |
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エンクロージャ/ケーシング |
硬質金属ケース、通常は円筒形または角柱形 |
柔軟なラミネートアルミニウムパウチ |
[2] |
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フォームファクターの柔軟性 |
ほぼ標準化された形状と寸法 |
超薄型およびカスタム形状の-バッテリー オプション |
[2][3] |
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重量エネルギー密度 |
一般に約 150 ~ 250 Wh/kg (化学反応と設計に応じて) |
一般に約 100 ~ 265 Wh/kg (化学的性質と設計に応じて) |
[4] |
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放電率 (C- 率) |
セルの設計によって異なります。多くの標準セルは中程度の連続放電用に最適化されています |
特殊な高出力セルは 30C 以上をサポート可能- |
[5] |
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サイクルライフの長寿命 |
一般的なベンチマークは、制御された条件下で 500 ~ 1,000 サイクルに達する可能性があります |
一般的なポーチ-セルのベンチマークは、設計と用途に応じて 300~500 サイクルの範囲に収まる場合があります |
[6] |
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漏れ・膨れ挙動 |
通気または故障するまで、剛性ケーシングには電解液と内部ガスが含まれます。 |
パウチ拡張によりガスの発生や膨潤が観察しやすくなる |
[7] |
上記の数値は、普遍的な仕様ではなく、一般的な技術範囲として扱う必要があります。
セルの化学的性質、電極設計、充電電圧、温度、放電深度、BMS 設定、製造品質はすべて、実際のパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。[4][6]
詳細な性能分析: リチウムポリマーとリチウムイオン
商業生産用のバッテリーパックを選択する場合、いくつかの工学的要素を評価する必要があります。
- 重量エネルギー密度Wh/kg で測定され、重量に対してバッテリーが蓄えるエネルギー量がわかります。
- 体積エネルギー密度Wh/L で測定され、物理体積に対してどれだけのエネルギーが蓄えられるかを示します。[4]
従来の硬質{0}セル リチウム-イオン電池は、製品が標準化された円筒形または角形セルに対応できる場合、非常に優れた性能を発揮します。
最新の高エネルギー円筒形セルは、-セルレベルの体積エネルギー密度を強力に達成できます。-これにより、最大の貯蔵エネルギーと標準化されたパック構造が重要となる用途に適しています。[4]
リチウムポリマー電池には別の利点があります。
外側の重いスチール缶を取り除き、丸い電池を長方形のハウジング内に配置するときに生じる未使用スペースを避けることで、薄型リチウムポリマーセルスリムな電子製品の利用可能なスペースを有効に活用できます。[2][4]
これは、5 mm 未満のデバイス設計では特に重要になります。
スマートウォッチ、医療用ウェアラブル、コンパクト トラッカー、または超薄型の消費者向けデバイスの場合、理論上の Wh/kg が最も高いセルが最良のバッテリーではないことがよくあります。{0}
利用可能な製品エンベロープを最も効率的に使用するのはバッテリーです。
製品に迅速な電力供給が必要な場合、最大放電 C- レートが重要になります。
これは、電気モーター、UAV、ドローン、RC デバイス、ロボット工学、その他の高出力アプリケーションにとって特に重要です。-[5]
A 高放電率ポリマー電池より大きな集電タブ、最適化された電極構造、低抵抗の電流経路を備えた設計が可能です。{{0}
これらの機能は、内部インピーダンスと重負荷時の電圧低下を軽減するのに役立ちます。[3][5]
特殊な高出力 LiPo バッテリーは、セルの化学的性質、電極構造、熱条件、メーカーの仕様に応じて、30C 以上の連続放電レートをサポートする場合があります。{0}}[5]
これが、LiPo バッテリーがドローンや RC 用途で広く使用されている理由の 1 つです。
一方、標準的な円筒形リチウムイオン電池は、多くの場合、安定した電力供給と長い実行時間を実現する優れた選択肢です。{0}
セル形式だけでは放電能力が決まるわけではないことに注意することが重要です。
高出力の円筒形リチウムイオン電池--は、エネルギー重視のパウチ電池よりも優れた性能を発揮する可能性があります。-同様に、専用の高-C-レート-LiPo バッテリーは、標準的な円筒形セルよりもはるかに多くの電流を供給できます。
特定のセルの実際の連続電流、パルス電流、内部抵抗、電圧降下、および熱データを常に比較してください。
よくある質問は次のとおりです。
リチウム-ポリマー電池はリチウム-イオン電池よりも速く充電されますか?
必ずしもそうとは限りません。
充電速度は、セルの化学的性質、電極設計、内部抵抗、温度、およびメーカーが推奨する充電制限によって異なります。[3][5]
高ドレイン用途向けに設計された一部の LiPo バッテリーは、より高い充電 C- レートを可能にする最適化された電極と低抵抗構造を使用しています。{{1}
特定の設計に応じて、特定の高性能セルは 2C 以上の急速充電をサポートする場合があります。{0}}[5]
ただし、すべての LiPo バッテリーが安全に急速充電できるという意味ではありません。-
リチウムイオン電池とリポ電池は通常、制御されたものを必要とします。{0}CC/CV - 定電流 / 定電圧充電プロセス。
また、正しい充電電圧と電流制限も必要です。
市販のバッテリーパックの場合は、適切に設計されたバッテリー管理システム (BMS)も同様に重要です。
セルメーカーの指定制限を超えて充電すると、劣化が加速し、安全上のリスクが高まる可能性があります。
バッテリーの耐用年数は、通常、バッテリーの容量が定義されたしきい値を下回るまでに完了できる充放電サイクル数によって評価されます。{0}}
一般的なベンチマークは80% の健康状態、または 80% の SOH.[6]
-
リチウム-イオン電池の寿命
制御された条件下では、標準的な円筒形リチウム-イオン電池のサイクル寿命は、初期容量の約 80% に達するまでにおよそ 500~1,000 サイクルとなります。-[6]
剛性の機械的構造は、内部電極アセンブリに強力な物理的サポートを提供することもできます。
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リチウム-ポリマー電池の寿命
多くのソフト パウチ リチウム ポリマー バッテリーは、一般的なテスト条件下で 300 ~ 500 サイクルの範囲で評価されます。[6]
パウチセルは、劣化するにつれて寸法変化やガス発生が発生する可能性があります。機械的サポート、熱管理、充電電圧、動作温度、放電深度はすべて、長期的なパフォーマンスに影響を与える可能性があります。-[6][7]
これらの数値を固定ルールとして扱うべきではありません。
適切に設計されたパウチ型電池を温和な条件下で動作させると、管理が不十分な円筒型電池よりも長持ちします。-
エンジニアリングの選択では、常に同じ充電率、放電率、温度、放電深度、寿命末期の基準の下でサイクル寿命データを比較してください。{{0}{1}-
安全性プロファイル、熱安定性、および認証
バッテリーの安全性は、セルにリチウムイオンまたはリポのラベルが付いているかどうかだけでは決まりません。{0}
安全性の検証には通常、電気的、熱的、機械的なテストが含まれます。アプリケーションと市場に応じて、関連する要件には次のような規格が含まれる場合があります。UL1642そしてIEC 62133-2、輸送用のリチウム電池は適用される規制の対象となります。国連 38.3テスト要件。[7][8]
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熱暴走と過熱のメカニズム
リチウム-イオン バッテリーの熱暴走には、セル内での一連の発熱反応が伴います。-
内部温度が上昇すると、固体電解質中間相 (SEI)劣化が始まる可能性があります。電解質、セパレーター、電極、その他の電池コンポーネントに関係する追加の反応が続く可能性があります。[7]
SEI の劣化は一般に、およそ 80 度から 120 度の範囲で始まる温度に関連していますが、正確な開始温度は化学的性質、充電状態、およびセルの構造によって異なります。[7]
セパレータのシャットダウン動作は高温で発生する可能性があり、特定のセパレータ システムでは通常約 130 度です。[7]
熱の発生が熱の放散よりも速くなると、プロセスは自立する可能性があります。-
硬い円筒形のセルでは、ひどい乱用や内部故障の際に発生するガスにより、金属製の筐体内部に圧力がかかります。
したがって、高品質の円筒形セルには、通気口、シャットダウン機構、電流遮断装置などの設計された安全装置が一般的に使用されています。{0}}[2][7]
-
バッテリーの膨張と液漏れ
パウチ-形式の LiPo バッテリーは動作が異なります。
電解液の分解やその他の劣化反応によって発生するガスにより、ラミネートパウチが膨張する可能性があります。[7]
これにより、おなじみのものが作成されます膨張したポリマーバッテリー状態。
パウチは柔軟であるため、硬い円筒形のセル内で内圧が高まるよりも膨らみが目立ちやすいことがよくあります。
目に見える腫れは警告サインとして扱う必要があります。
バッテリーが膨張したり、穴が開いたり、漏れたり、異常に熱くなったりした場合は、使用を中止し、メーカーの安全指示に従って取り扱う必要があります。
パウチの構造により、通常の動作中に自由に流れる電解液の漏れに関連するリスクを軽減できますが、パウチに穴が開いたり、破れたり、潰されたり、その他の損傷を受けた場合には、LiPo バッテリーでも漏れる可能性があります。{0}[1][7]
-
BMS 保護の統合
Blumoti Battery が開発した OEM バッテリー パックは、アプリケーションの電気要件に基づいて多層 BMS 保護を統合できます。{0}
一般的な保護機能には次のものがあります。
- 過熱保護-
- 過充電保護
- 過放電保護-
- 過電流保護-
- 短絡保護-
- 必要に応じてセルのバランシングを行う
コンプライアンスを確保するには、BMS 機能を認証および転送要件から分離することが重要です。
国連 38.3輸送を目的としたリチウムセルおよびバッテリーの設計適格性試験を対象としています。[8]
IEC 62133-2非酸性電解質を含むポータブル密閉型リチウム二次電池および電池の安全要件とテストを規定しています。{0}}[8]
UL1642は、リチウム電池の安全規格として広く使用されています。[8]
正確な認証パスは、バッテリーの設計、完成品、対象市場、および用途によって異なります。
対象アプリケーション: 適切なソリューションの選択
リチウムポリマー (LiPo) を選択する場合
超薄型のウェアラブル電子機器-
リチウムポリマー電池は、スマートウォッチ、ヘルストラッカー、医療機器、および厚さとフォームファクターが重要なその他の製品にとって強力な選択肢です。
パウチ構造により、メーカーは標準的な円筒形セルでは実現が難しい、薄くカスタマイズされたセル寸法を開発できます。[2][3]
ドローン、UAV、RC デバイス
LiPo バッテリーは、航空機や RC プラットフォームで広く使用されています。これらの用途では、多くの場合、強力な電力対重量比と高いピーク放電電流が必要となるためです。{0}{1}[5]
特殊な高放電 LiPo バッテリーは、高出力動作用に適切に設計されている場合、30C を超える放電レートに対応できます。-[5]
スリムなコンシューマー向けハードウェア
スマートフォン、タブレット、ハンドヘルド電子機器、その他のスリムなデバイスは、平らな長方形のスペースを効率的に使用できるパウチ セルの恩恵を受けます。
これにより、機械エンジニアや工業デザイナーは、ディスプレイ、PCB、カメラ、センサー、その他の内部コンポーネントを扱う際により自由に作業できるようになります。
リチウム-イオン(リチウム-イオン)を選択する場合
エネルギー貯蔵システム (ESS) とバックアップ電源
リチウム-イオン電池は以下の分野で広く使用されています。エネルギー貯蔵システム (ESS)標準化されたセル形式により、スケーラブルな製造、成熟したサプライ チェーン、予測可能なパック アーキテクチャをサポートできるため、{0}}電力アプリケーションのバックアップにも役立ちます。[4][6]
大規模な ESS プロジェクトでは、通常、セルの化学反応、熱管理、システム レベルのコスト、安全性、サイクル寿命が、単純な LiPo- と -Li- イオンのラベルよりも重要です。
電気自動車(EV)と E{0}}モビリティ
などの標準化された円筒形フォーマット18650、21700、およびそれ以上のフォーマットの円筒セル-電動モビリティ用途で広く使用されています。
標準化された形状により、自動製造と反復可能なパック組み立てがサポートされます。[2][4]
パウチ型リチウムイオン電池や角柱型リチウムイオン電池も EV プラットフォームで広く使用されているため、電池システム全体のアーキテクチャに基づいてセル形式を選択する必要があります。-
電動工具および産業用機器
電動工具や産業機器には、強力な機械的耐久性と高電流能力が必要です。
硬い円筒形リチウムイオン電池は、金属ケースが衝撃や振動から機械的に保護されるため、これらの環境に適しています。{0}}[2]
高出力の円筒形セルは、大量の放電電流を流すこともできるため、プロ用電動工具では依然として一般的です。
カスタムバッテリーのOEM/ODMでBlumoti Batteryと提携する理由は何ですか?
製品に必要かどうか大容量リチウムイオン電池パック-またはカスタム-設計の薄型リチウム ポリマー セル、バッテリーは目標容量以上に適合する必要があります。
また、製品の電気的、機械的、熱的、安全性、および生産要件にも適合する必要があります。
Blumoti バッテリーが提供するカスタムバッテリーのOEMおよびODM製造サービス商業および産業用途向け。
カスタムフォームファクター
Blumoti は、カスタマイズされたバッテリーの寸法、ポーチのサイズ、パックのレイアウト、ワイヤーの位置、コネクターのオプション、電圧構成をサポートしています。
これにより、製品チームは狭い内部スペースや特殊な内部スペースを扱う際に、より柔軟に作業できるようになります。
統合BMSエンジニアリング
デバイスの実際の動作要件に基づいて、BMS 保護機能を備えたカスタム バッテリー パックを設計できます。
これらには、過充電、過放電、過電流、短絡、温度、セルバランス保護などが含まれます。{0}{0}{1}{1}
該当する場合、バッテリー開発では、関連するテストやコンプライアンス要件も考慮する必要があります。UN 38.3、IEC 62133-2、およびUL規格考慮に入れてください。[8]
最適化されたコスト効率
バッテリーのコストはセルの価格だけではありません。
パックのアーキテクチャ、材料、BMS 設計、溶接、組み立て、テスト、認証、生産量はすべて、最終コストに影響します。
スケーラブルなバッテリー設計により、必要なパフォーマンスと安全性の目標を維持しながら、不必要な複雑さを軽減できます。
今すぐ Blumoti Battery にお問い合わせいただき、当社のエンジニアリング チームとアプリケーションについて話し合い、次のハードウェア プロジェクト用のカスタム電源ソリューションをリクエストしてください。
https://www.blumoti-battery.com/contact-
参考文献と信頼できる情報源
[1] タラスコン、JM、アルマンド、M.
「リチウム二次電池の課題と課題」自然、巻. 414、ページ. 359–367、2001。
用途: リチウム-イオン電解質の基礎、ポリマー電解質システム、リチウム電池の化学、および一般的な電気化学アーキテクチャ。
[2] バッテリー大学 / カデックス エレクトロニクス。
BU- シリーズの技術リソース。リチウム- イオン電池の形式、円筒型電池、角型電池、パウチ型電池、電池構造、安全機構をカバーしています。
用途: 硬質金属ケースとポーチ構造、フォームファクターの違い、機械的特性、セル形式の比較-。
[3] チェン、M.、リンコン-ジョージア州モーラ
「実行時間と I{0}} パフォーマンスを予測できる正確な電池モデル。」エネルギー変換に関するIEEEトランザクション、Vol. 21、No. 2、pp. 504–511、2006。
用途: 電池の動作、内部抵抗/インピーダンスの考慮事項、電圧応答、電池性能のモデリング。
[4] 米国エネルギー省 (DOE)、車両技術局。
バッテリーの研究開発レポート、EV バッテリーの性能目標、バッテリー テスト マニュアルのリソース、およびエネルギー ストレージの研究開発出版物。
用途: 重量および体積エネルギー密度のベンチマーク-、EV バッテリーの性能、大規模なリチウムイオン エネルギー-- エネルギー-貯蔵アプリケーション。
[5] Scrosati、B.、Garche、J.
「リチウム電池:現状、展望、そして将来」電源ジャーナル、Vol. 195、No. 9、pp. 2419–2430、2010。
用途: リチウム電池の電力性能、放電速度の考慮事項、充電反応速度、高出力リチウム電池の開発-。
[6] NASA 航空宇宙用バッテリー ワークショップのレポートとバッテリーの老化研究。
NASA バッテリー-ワークショップの資料と、関連するリチウム-イオンの老化、サイクル寿命、劣化の研究。
用途: サイクル寿命ベンチマーク、健康状態 (SOH)、劣化要因、サイクリング時のリチウムイオン電池の動作の比較-。
[7] Finegan、DP、他。
「熱暴走中のリチウムイオン電池の-オペランド高速断層撮影--」。ネイチャーコミュニケーションズ、Vol. 6、記事 6924、2015 年。関連する NREL リチウム-電池の安全性研究と併せて。
用途: 熱暴走メカニズム、内部構造故障、発熱、ガス発生、バッテリーの安全動作。
[8] 国際電気標準会議 (IEC)、UL ソリューション、および国連欧州経済委員会 (UNECE)。
IEC 62133-2: ポータブル密閉型リチウム二次電池および電池の安全要件。 UL 1642: リチウム電池の規格。国連のテストと基準マニュアル、パート III、サブセクション 38.3。
用途: リチウム-電池の安全要件、安全性テスト、リチウム電池の輸送設計-認定テスト。


