角柱型と円筒型の2種類は、リチウムイオン電池セルの一般的な2つのタイプです。円筒型セルは優れた放熱性、優れた均一性、そして耐久性を備えていますが、エネルギー密度が限られ、スペース効率が低下するという欠点があります。角柱型セルは、高い安全性、体積利用率、そして柔軟な設計を誇りますが、かさばりコスト増加というトレードオフがあります。
円筒形の電池が長い間主流でしたが、 リチウム電池 市場では、角形電池が独自の強みで静かに注目を集めています。両者の強みを詳しく見ていきましょう。
角柱細胞と円筒細胞を理解する
プリズマティックセルとは何ですか?
角柱型セルは、長方形または正方形の形状と、平らで剛性の高いハウジングを備えています。巻き取り式または積層式で製造され、アルミニウムまたは鋼製の角柱型ケースに収納されています。形状は特定の要件に合わせてカスタマイズできます。この構造により、エネルギー密度の向上と柔軟な構造設計が実現します。
角形電池の正極と負極はそれぞれ反対側に位置し、コネクタを介して回路基板に接続されます。これらの電池は、通常、固体電解質または液体電解質を用いてエネルギーを蓄積・放出します。高いエネルギー密度、長寿命、そして信頼性の高い安定性により、角形電池は多くの民生用電子機器の電源として好まれています。
同じ体積の場合、積層型角柱セルは一度に多くのエネルギーを供給できるため、パフォーマンスが向上します。一方、平型角柱セルは全体的に多くのエネルギーを保持できるため、耐久性が向上します。
円筒セルとは何ですか?
円筒形セルは、金属缶、振動板、そして均一に巻かれた電極で構成される円形セルです。巻線工法を用いて製造され、耐衝撃性に優れたアルミニウムケースに収納されています。そのため、優れた放熱性とセル間の優れた均一性を誇ります。
つまり、円筒形バッテリーは小型で円形なので、様々なサイズのデバイスに簡単に積み重ねることができます。他のバッテリー形式とは異なり、円筒形バッテリーはセルケース内のガス蓄積によって引き起こされる膨張を防ぐのに役立ちます。
角型電池と円筒型電池の8つの主な違い
角型セルと円筒型セルには大きな違いがあります。角型セルと円筒型セルを区別する要素は形状だけではありません。主な違いは、サイズ、電気接続の数、そして出力にあります。
| 特長 | 円筒形セル | プリズマティックセル |
| 形状 | 円形 | 長方形または正方形 |
| Structure | 金属缶、ダイヤフラム、巻線電極を含む | 積層電極を備えた平らな剛性ハウジング |
| 耐久性 | 物理的に保護された金属缶 | ハウジングが弱く、簡単に損傷する |
| 熱管理 | 素晴らしい。ジェリーロール構造が放熱性を高めます | 悪い。層構造はより多くの熱を発生する |
| 費用 | 成熟したサプライチェーンによるコスト削減 | 製造コストの上昇 |
| スペース効率 | 低い。組み立て時に隙間が生じます。 | 高い。タイトな梱包方法。 |
| 設計の柔軟性 | 形状の柔軟性が低い | 高い; モジュール設計のための多層スタッキング |
| 用途 | 電動自転車、医療機器 | 船舶、ロボット |
サイズと形
- 角柱型セルは円筒型セルよりも大きく、重量も重くなります。放熱のためにより多くのスペースを必要とし、バッテリーパックをカスタマイズできる柔軟な設計を可能にします。角柱型セルのサイズは、ニーズに応じて30×20×3mmから300×100×50mmまで様々です。1つの角柱型セルは、20～100個の円筒型セルに相当するエネルギーを蓄えることができます。
- 標準的な円筒形セルには 18650 セル（18×65mm）、 21700 セル（21×70mm）と 26650 セル（26×65mm）。4680（46×80mm）は、一般的な大型円筒形電池セルです。セルが大きいと内部抵抗が増加し、熱管理が困難になり、機械的ストレスも高くなるため、大規模な直列接続や並列接続には適していません。
電圧と容量
円筒形バッテリーは角形バッテリーよりも蓄電量は少ないかもしれませんが、より多くの電力を供給できます。つまり、円筒形セルは角形セルよりも速くエネルギーを放出できます。これは、アンペア時間（Ah）あたりの接続数が多いためです。そのため、円筒形バッテリーは高性能アプリケーションに最適であり、角形バッテリーはエネルギー効率を最大化することに適しています。
- 円筒形のバッテリーセルはセル容量が低いですが、コンパクトなサイズと優れた放熱性を備えており、高率放電出力をサポートします。
- 角柱型電池セルは高いセル容量を有し、高率放電が制限され、コストが低いため、大容量エネルギー貯蔵に最適です。
構造と建設
内部構造
- 角柱型電池: 電極シートは通常層状に積み重ねられており、スペースの利用率は向上しますが、放熱経路を慎重に最適化する必要があります。
- 円筒型電池：電極シートを螺旋状に巻いた「ジェリーロール」構造。この構造により、セルをまとめた際に隙間が生じますが、均一な放熱が可能です。
形状構築
- 角柱型電池：多面体形状（六角形や長方形など）で設計され、通常はアルミニウム合金製のケースに収められています。正極端子と負極端子はそれぞれ反対側の端に配置され、コネクタを介して回路基板に接続されます。平板型または長方形の設計のため、寸法をカスタマイズでき、高密度積層に適しています。角柱型セルは高密度に積み重ねることができ（例：BYDの六角柱型セル）、円筒型セルと比較して20%以上のスペース利用率を実現します。
- 円筒形電池：電極シート（正極、セパレーター、負極）を金属円筒に巻き付けて製造されます。高い機械的安定性と均一な内部圧力分布を備えています。円形断面のため、複数個をまとめて収納すると無駄なスペースが生じますが、モジュール設計によりBMS（バッテリーマネジメントシステム）の管理が簡素化されます。
重量および体積エネルギー密度
エネルギー密度は、バッテリーの体積または重量に基づいてバッテリーのエネルギー貯蔵効率を測定します。
- 円筒形セルはコンパクトな巻き取り構造のため、重量エネルギー密度が 200 ～ 260 Wh/kg と、角柱形セルの 180 ～ 250 Wh/kg よりも高くなります。
- 角型セルは、多層積層構造により空間損失を低減し、体積エネルギー密度600～750Wh/Lを実現しています。一方、円筒形バッテリーは、円形構造の大きな隙間とかさばるスチールケースのため、エネルギー密度は500～700Wh/L程度です。
| バッテリーセルの種類 | 重量エネルギー密度 (Wh/kg) | 体積エネルギー密度 (Wh/L) |
| プリズムの | 180～250Wh/kg | 600～750Wh/L |
| 円筒形 | 200〜260 Wh / kg | 500-700Wh/L |
サイクル寿命
- 円筒形セルは角形セルに比べてサイクル寿命が長く、堅牢な金属ケースを備えているため、巻き取り工程によるストレスを軽減できます。また、セルの小型化により、バッテリーパックへの熱負荷を均等に分散できるため、バッテリーの経年劣化を抑え、寿命を延ばすことができます。
- 角形セルは大容量で、熱が集中し、積層電極構造のため内部温度勾配が大きくなるため、劣化が加速する可能性があります。この設計は角形セルの全体的なサイクル寿命を低下させる傾向があります。
熱管理
有望 熱管理 あらゆる種類のリチウムイオン電池の安全性を確保する上で極めて重要です。過熱は容量低下と電圧変動を引き起こし、熱暴走を引き起こします。
- 円筒形セルは熱管理において優れた性能を発揮します。巻回電極シート構造を採用し、強固な金属シェルと小型化により放熱性に優れています。熱はバッテリーパック全体に均一に分散されるため、局所的な過熱リスクを低減します。この特性により、バッテリーの充電と高率放電をより安全に行うことができます。
製造とコスト
円筒形セルは、標準化された寸法と優れた安定性を備えたコスト効率の高い選択肢です。大量生産と成熟したサプライチェーンもコスト削減に貢献します。
角型セルは、カスタマイズされたハウジングと組み立て工程が必要で、コストがかかります。複雑な製造工程とコンパクトな構造を特徴としていますが、放熱が難しく、追加の設計コストがかかります。
バッテリーのテストと認証
円筒形および角柱形のリチウム電池は、国際市場に参入する前に、次のような厳格な安全性と品質基準を満たす必要があります。 UN38.3、IEC認証これは、セルの種類によって、熱管理、サイクル寿命、エネルギー密度の性能が異なるためです。
角柱型セルと円筒型セルの利点と欠点は何ですか?
角柱セルの利点
- 高いスペース利用率: Prismatic Cell は規則的な形状をしており、非常に効率的な組み立てが可能で、ロボットなどの大容量アプリケーションに適しています。
- 優れた安全性。ハードシェル構造により、機械的強度と耐圧強度に優れています。
- 柔軟な設計。サイズはさまざまな形状にカスタマイズでき、特定のニーズに対応します。
角形セルの欠点
- 標準化の低さ: メーカー間で仕様が大きく異なるため、コストが高くなります。
- 放熱の課題: 大型の角柱セルは内部に熱が蓄積されるため、複雑な熱管理が必要になります。
円筒形セルの利点
- 高度な標準化。成熟した自動化生産により、低コストと高収量を実現します。
- 優れた安全性。各ユニットに独立した保護機能を備え、火災の延焼による熱暴走を防止します。
- 優れた放熱性：円筒形の形状により均一な放熱を促進します。
円筒セルの欠点
- 低い集積効率：円筒形バッテリーには隙間があるため、体積利用率が低くなります。そのため、構造的な充填が必要になります。
- エネルギー密度が限られています。セル容量が小さいため、低電力アプリケーションに適しています。
- 機械的ストレスに敏感: 長期にわたる振動により溶接疲労が発生します。
角柱型セルと円筒型セルの違い：応用例
角柱電池セルの用途
角柱型セルは隙間なく積み重ねることができ、円筒型セルに比べて空間利用率が20%以上向上します。そのため、長距離電気自動車などの高エネルギー密度用途に最適です。アルミニウム合金製のケースを用いたハードシェル設計は、優れた機械的強度と耐圧潰性を備えており、エネルギー貯蔵システムや航空宇宙機器において安定した性能を発揮します。しかしながら、個々のセルが大きいため熱が蓄積しやすく、複雑な液体冷却システムが必要となる場合が多くあります。
- ロボット： 三元リチウム電池パック 角柱セルから組み立てられたセルは完璧なソリューションです。角柱セルは体積利用率が高く、バッテリーパックに電力を供給し、軽量設計でより高いエネルギー密度を実現します。NMC化学は稼働時間を延長します。
- 船舶: 低温バッテリーパック 角柱セルを組み立てることで体積を効率的に活用し、限られたスペース内でより大きな容量と優れた放電性能を備えたバッテリーパックを実現します。
円筒形電池セルの用途
18650や4680といったサイズに標準化された円筒形セルは、低コストでの大量生産を可能にします。各セルが独立した構造になっているため、熱の伝播が抑えられ、特に家電製品、電動工具、ヒューマノイドロボットなどに有利です。円形の断面とセル間の間隔が自然に液浸冷却を可能にし、放熱効率を最大30%向上させます。欠点は、円筒形セルをグループ化すると15～20%の未使用スペースが生じるため、追加の充填構造が必要になることです。
- ebike：円筒形電池セルは巻き線構造を採用しており、過熱リスクを低減し、高率放電時の安定した動作を維持します。18650、21700など、様々な円筒形セルを組み合わせて、異なる容量と電圧のバッテリーパックを構成できるため、電力ニーズに対応できます。
- 医療機器: 円筒形のセルは柔軟に 直列および並列接続 ポータブルモニター、輸液ポンプなど、さまざまな医療機器の強いエネルギー需要に合わせて容量と安定した出力電力を向上させます。
角柱型セルと円筒型セルのどちらを選ぶべきか？
角柱型と円筒型のリチウムイオンセルのどちらを選ぶかは、具体的な用途要件を考慮してください。角柱型セルは、層構造により高容量と優れたエネルギー密度を実現し、ロボット工学や船舶など、コンパクトなスペースと高い出力を必要とする高負荷デバイスに電力を供給します。円筒型セルは優れた熱管理と優れた機械的耐久性を誇り、電動自転車や医療機器など、過酷な条件下で高レート放電が求められるデバイスに電力を供給します。
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