Jak zbudowany jest akumulator typu 18650? Zasady konstrukcji ogniw litowo-jonowych

Czy wiesz jak zbudowany jest akumulator 18650?

Akumulatory litowo-jonowe typu 18650 coraz śmielej wchodzą do naszego codziennego życia. Biorąc pod uwagę zapotrzebowanie energetyczne nowoczesnych latarek, można śmiało stwierdzić, że za kilka lat wyprą popularne dziś baterie alkaliczne i akumulatorki niklowo-wodorkowe typu AA i AAA. To właśnie z ogniw litowo-jonowych zasilane są już np. samochody elektryczne czy e-papierosy. W świadomości użytkowników nadal są one jednak nowością i przeciętny człowiek nie zna tajników ich budowy, parametrów i zasad wyboru wysokiej jakości ogniwa. Wykorzystują to nieuczciwi producenci, głównie z Chin oraz niektórzy korzystający z okazji importerzy. Na rynku aż roi się od akumulatorów z nadrukami zapewniającymi o przeczącym prawom fizyki pojemnościach. Niektórzy próbują przekonywać o doskonałych parametrach wyeksploatowanych ogniw pochodzących z utylizacji elektrośmieci.

Dlaczego poruszamy temat budowy ogniw 18650?

Bierzemy udział w dyskusjach na forach internetowych, obserwujemy grupy na portalach społecznościowych oraz na co dzień wyjaśniamy szczegóły techniczne naszym klientom. Na tej podstawie postanowiliśmy stworzyć cykl artykułów na temat ogniw litowo-jonowych, głównie na przykładzie najpopularniejszych 18650. Mamy nadzieję, że pomogą one wielu osobom zrozumieć, dlaczego wydajność i żywotność akumulatora zależy nie tylko od procesu produkcji, ale też od warunków przechowywania, transportu i eksploatacji. Powiemy też dlaczego sami zrezygnowaliśmy ze sprzedaży wątpliwej jakości ogniw na rzecz wyłącznie markowych, pochodzących od renomowanych producentów zapewniających surową kontrolę jakości, powtarzalne parametry i wysoką żywotność.

Jak było do tej pory?

Akumulator 18650 to konstrukcja całkiem inna niż wcześniejsze rodzaje cylindrycznych ogniw. Dotychczas baterie i akumulatorki były w uproszeniu puszką stanowiącą elektrodę, do której włożono drugą elektrodę w formie pręta i zalano elektrolitem. Przyzwyczailiśmy się do ich używania, nie zastanawiając się w zasadzie co jest w środku do póki nie rozlała się stara bateria cynkowo-węglowa. Tymczasem budowa cylindrycznych ogniw litowo-jonowych jest bardziej złożona i wymaga zaawansowanej technologicznie linii produkcyjnej gwarantującej niezwykłą precyzję.

Rolada, czyli szczegóły budowy akumulatora 18650

W okrytej plastikową powłoką puszce akumulatora 18650 znajduje się konstrukcja w formie "rolady", gdzie zamiast ciasta użyto: folii miedzianej, folii polimerowej i folii aluminiowej. Swego rodzaju "nadzienie" stanowią sole litu, czyli LiMn₂O₄ (Lithium Manganese Oxide).

Największym wyzwaniem przy konstruowaniu ogniwa litowo-jonowego jest takie zwinięcie wszystkich materiałów w całość by folie się nie stykały ze sobą a elektrolit rozłożony był równomiernie na całych ich powierzchniach. Jeśli myślimy o znanej nam domowej roladzie z bitą śmietaną czy makowcu, może się to wydawać proste, jednak w akumulatorze o wymiarach zaledwie 18x65mm trzeba zmieścić przynajmniej 20 takich warstw "ciasta" i "nadzienia". Potrafią to odpowiednio wykonać tylko wyjątkowo precyzyjne linie technologiczne takich firm jak LG, Samsung, Sanyo, Panasonic czy Sony. Istnieją oczywiście urządzenia do produkcji na mniejszą skalę, jednak wychodzące z nich ogniwa w dużej części są dziełem przypadku, nie trzymają parametrów i już fabrycznie są wadliwe.

Zasady budowy ogniw litowo jonowych są jednakowe bez względu na ich kształt takie same zwijane warstwy znajdują się w ogniwach cylindrycznych, pryzmatycznych i kieszonkowych. Ogniwa cylindryczne najczęściej znajdują się w latarkach, e-papierosach i w pakietach akumulatorów elektronarzędzi czy laptopów. Ogniwa pryzmatyczne to najczęściej źródła zasilania smartfonów i palmtopów zaś ogniwa kieszonkowe zazwyczaj znaleźć można w najdrobniejszych urządzeniach mobilnych, jak np. mini kamery, słuchawki bluetooth, nawigacje GPS itp.

Kwestia dodatkowych elementów akumulatora, jak wyprowadzenia elektrod, zabezpieczenia ciśnieniowe, termiczne i elektroniczne poruszona zostanie w kolejnym artykule. Ten ma na celu przybliżyć jedynie podstawowe zasady budowy ogniwa litowo-jonowego.

Ogniwo wadliwe, atrapa czy oszustwo?

Jeśli wiadomo już, jak skonstruowane jest ogniwo litowo-jonowe i znany jest sam proces jego produkcji, można zauważyć, że produkowane w chińskim garażu czy indyjskiej stodole akumulatorki nie mogą równać się z tymi renomowanych producentów. Warto wymienić możliwe czynniki wpływające na wady produkcyjne, które powinny eliminować je ze sprzedaży:

• zmienna grubość lub brak ciągłości folii miedzianej
• zmienna grubość lub brak ciągłości folii aluminiowej
• perforacja polimerowego separatora
• zanieczyszczenia elektrolitu
  
• nierównomierna warstwa naniesionego elektrolitu
• niedomknięta puszka powodująca wycieki

Wszystkie wymienione wyżej czynniki powodują, że już wychodzący z prymitywnej produkcji akumulator 18650 będzie pracować niestabilnie, przegrzewać się, tracić pojemność czy posiadać wewnętrzne zwarcie mogące nawet wywołać pożar.

Warto też poruszyć temat atrap ogniw, które dodawane są zazwyczaj do tańszych modeli latarek czy e-papierosów. Samo urządzenie może być dobrej jakości i mieć świetne osiągi, jednak w związku z rynkową presją cenową najłatwiej zaoszczędzić właśnie na akumulatorze. W momencie zakupu wszystko działa właściwie, lecz okazuje się, że latarka zaskakująco krótko świeci. Po wymianie akumulatora na pochodzący od renomowanego producenta, użytkownicy są miło zaskoczeni, gdy czas świecenia latarki zwiększa się nawet 3-4 krotnie.

Dosyć powszechne są także wręcz oszustwa dokonywane przez chińskich producentów. Z naszych doświadczeń i obserwacji dyskusji w internecie, wiemy, że oprócz niezamierzonych wad produkcyjnych, istnieją także oczywiste nadużycia przy produkcji cylindrycznych akumulatorów litowo-jonowych. W obudowie typowego ogniwa mogą się znaleźć:

• zamiast przynajmniej 20 tylko 5-10 zwojów miedzi, aluminium i elektrolitu
• kilkukrotnie mniejsze ogniwo umieszczone w standardowej obudowie
• wypełnienie piaskiem, szkłem, plastikiem lub tekturą
• fałszywe nadruki mówiące o pojemności wykraczającej poza prawa fizyki
• ewidentne fałszerstwo markowych ogniw

Dobre akumulatory 18650 nie mogą kosztować 5zł

Na koniec warto podsumować to co warto wiedzieć o budowie akumulatorów litowo-jonowych, nie tylko typu 18650. Przede wszystkim ich konstrukcja jest dosyć skomplikowana i wymaga zaawansowanej technologicznie linii produkcyjnej. Dysponuje nimi wyłącznie kilka firm na świecie: LG, Samsung, Sanyo, Panasonic czy Sony. Produkują oni ogniwa przemysłowe będące podzespołami konsumenckich akumulatorów marek KeepPower czy Xtar. Można je znaleźć w oryginalnych bateriach laptopów, markowych wkrętarek czy nawet z tysiącach sztuk w akumulatorach samochodów elektrycznych. Natomiast ogniwa chińskich rzemieślników, wytwarzane często w warunkach chałupniczych, nie trzymają parametrów, są od początku wadliwe i nie spełniają norm bezpieczeństwa.

Podstawowymi materiałami w produkcji ogniw Li-Ion są miedź, aluminium, lit i mangan więc akumulator powinien być stosunkowo ciężki. Poza aluminium, wymienione metale są na światowych rynkach dosyć drogie i nieuczciwych producentów kusi chęć oszustwa. Oszczędzają zastępując cenne metale bezwartościowymi wypełniaczami w skutek czego ogniwo jest zaskakująco lekkie. Dbają za to o kuszące nazwy, kolorowe nadruki i podawanie wyssanych z palca parametrów.

Akumulatory 18650 kupowane na bazarach i w internecie po 3-8 złotych są przykładem wyrzucania pieniędzy w błoto. Takie ogniwa nie działają od nowości albo padają po kilku ładowaniach a w najlepszym wypadku działają posiadając 1/10 pojemności podanej na nadruku.

Temat rozpoznawania już na pierwszy rzut oka kiepskiej jakości akumulatorów zostanie poruszony w kolejnych artykułach o akumulatorach typu 18650.