円筒形セルとは何ですか?

円筒形セルは、電極がらせん状に巻かれた剛性の円筒形金属ケースに収納されたリチウムイオン電池です。{0}これらは、層状のアノード、カソード、セパレータ、および電解質材料間の電気化学反応を通じて電気エネルギーを貯蔵および供給します。

これらのバッテリーは、円筒形の形状により内部の圧力と熱が自然にケース全体に均一に分散されるため、広く採用されました。 18650 (直径 18 mm、長さ 65 mm) や 21700 (直径 21 mm、長さ 70 mm) などの標準化された寸法-により、製造が最も自動化され、コスト効率の高い電池形式となっています。-テスラは電気自動車での使用を普及させ、初期モデルには 6,000 ～ 9,000 個の個別セルがバッテリーパックに組み込まれていました。

円筒形セルの内部アーキテクチャは、メーカー間で一貫したパターンに従っています。中心にはマンドレルがあり、その周りに電極シートが外側に螺旋状に巻き付けられており、技術者が「ゼリーロール」構造と呼んでいます。

カソードには通常、コバルト酸化リチウム (LCO)、ニッケルマンガンコバルト (NMC)、リン酸鉄リチウム (LiFePO4) などの材料が使用されます。アノードはグラファイトまたはシリコン-ベースの化合物で構成されています。ポリオレフィン製セパレータ膜は、充電および放電サイクル中にリチウムイオンが電極間を移動できるようにしながら、短絡を防止します。

電解質溶液-有機溶媒に溶解したリチウム塩-により、イオン輸送が可能になります。アセンブリ全体は、機械的保護を提供し、マイナス端子として機能するスチールまたはアルミニウムのケース内に収まります。ほとんどの円筒形セルは、正端子が上部中央に、負端子が下部に配置されますが、4680 のような大型形式では、両方の端子が上面に配置されます。

金属ケースは単なる保護を超えた重要な役割を果たします。経年劣化によるガスの蓄積による内圧下でも構造の完全性を維持します。円筒形の形状により、この圧力が壁全体に均一に分散され、角柱形式と比較してケーシングを薄くすることができます。これにより、不活性物質の重量が軽減され、セルレベルでのエネルギー密度がわずかに向上します。

バッテリー業界は、いくつかの標準化された円筒セル形式を確立しており、それぞれのセルの寸法 (ミリメートル) に応じて名前が付けられています。 18650 セルは、1990 年代以来家電製品や電動工具で主流を占めており、化学的性質や設計に応じて最大 30A の放電レートで 1,200 ～ 3,500 mAh の容量を提供します。

21700 フォーマットは、メーカーがより高容量のセルを求めていたため、2010 年代半ばに登場しました。{12}} 18650 セルと比較して体積が 50% 大きいため、容量は 4,000 ～ 5,000 mAh に達します。テスラとパナソニックはモデル 3 用にこのフォーマットを開発し、前世代の 18650 セルより約 20% 高い約 300 Wh/kg のエネルギー密度を達成しました。フォーマットが大きくなったことで、車両ごとに必要なセル数が減り、組み立てが簡素化され、システムのコストが約 9% 削減されました。

テスラの 4680 セルは、大型円筒形バッテリーの最新の進化を表しています。-直径 46 mm、長さ 80 mm で、21700 セルの 5 倍以上のエネルギーが含まれています。同社によれば、この形式は 21700 セルと比較して 5 倍のエネルギー容量と 6 倍の出力を実現し、これは走行距離が 16% 増加することに相当します。しかし、生産規模の拡大は困難であることが判明しており、テスラは 4 年間の開発期間を経て、2024 年 9 月にのみ 1 億番目の 4680 セルを生産しています。

その他の一般的な形式には、公称容量が約 3,200 mAh の 26650 セル (26 mm x 65 mm) があり、電動工具やエネルギー貯蔵システムで一般的です。小型の 14500 フォーマット (14mm x 50mm) は、1,600 mAh に近い容量のポータブル電子機器に使用されます。

円筒セルの生産は、数十年にわたるプロセスの最適化と自動化の恩恵を受けています。ゼリーロールを作成する巻き取りプロセスは、正確な張力制御により高速で動作し、一貫した電極の位置合わせと最小限の欠陥を保証します。自動化された装置は、人間の介入を最小限に抑えて、電極のコーティング、巻き付け、缶の挿入、電解液の充填、および封止を処理します。

この成熟した製造インフラはコスト上の利点に直接つながります。 2024 年の業界データによると、円筒型電池は角柱型やパウチ型の電池よりも早く生産でき、生産時間当たりの発電量がより多くのキロワット-時間に達します。標準化されたフォーマットにより、機器メーカーはカスタム角形セル設計では経済的に実行不可能な特殊な高スループット機械を開発できます。-

規模の経済は相当なものです。電池メーカーは18650と21700の生産ラインに数十億ドルを投資している。完全に稼働すると、1 つの施設で毎月数百万個のセルを生産できます。この量により、材料廃棄物の削減、サプライチェーンの最適化、歩留まりの向上により、単位あたりのコストが削減され、大手メーカーでは現在 98% を超えています。{5}}

品質の一貫性は、製造のもう 1 つの強みを表します。自動巻き取りプロセスにより、予測可能な電気特性を備えた均一性の高いゼリーロールが生成されます。セル間の容量、内部抵抗、自己放電率のばらつきは、手作業で積み上げられた角形セルに比べて依然として厳しいままです。--この一貫性により、バッテリー管理システムの設計が簡素化され、パックレベルのパフォーマンスが向上します。{7}

Cylindrical Cells

円筒形の形状により、高電力アプリケーションで非常に重要となる熱放散に自然な利点が生まれます。{0}}セルがバッテリーモジュールに詰め込まれると、円筒面間の隙間が冷却剤循環用のチャネルを形成します。これらの経路により、液体冷却システムや空気の対流が、密に詰まった角柱状の設計と比較してより多くのセル表面積に到達することができます。-

丸い形状により、各セル内の均一な温度分布が促進されます。充電または放電中に電極コアで発生した熱は、ゼリーロール層を通ってケーシングに外側に伝わる必要があります。直径が大きいセルは中心部の熱抵抗の増加に直面しますが、角が熱を蓄積する直方体セルと比較して、円筒形の断面によりホットスポットが最小限に抑えられます。-。

4680 セルの熱シミュレーションでは、アルミニウムのハウジング材料が従来のニッケル-メッキ鋼板に比べて冷却性能を大幅に向上させていることが示されています。 3C 急速充電中-、アルミニウム製ケースはスチール製のリファレンスセルと比較して、10 分後に最大セル温度を約 11 度低下させます。この温度上の利点は、側壁冷却構成ではさらに顕著になります。

ベース冷却と側壁冷却には設計上のトレードオフがあります。 21700 セルの場合、ベース冷却は、側壁アプローチと比較して、同等の温度勾配に対して約 12% 高い熱流束を提供します。冷却戦略の選択は、多くの場合、設計が高さのあるベース冷却配置に対応しているか、それともより広い設置面積の側壁冷却が必要であるか、パックのアーキテクチャ-に依存します。-

標準化された円筒形フォーマットにより、熱管理システムの設計が簡素化されます。バッテリーパックのエンジニアは、熱伝達特性を一度モデル化して、それらのパラメーターを数百万のセルに適用できます。この予測可能性により開発時間が短縮され、冷却プレートの設計、サーマルペーストの塗布、冷却剤の流れパターンの最適化が可能になります。

円筒形セルは、ミリワットのデバイスからメガワットのシステムまで、非常に多様なアプリケーションに電力を供給します。家庭用電化製品が本来の市場を代表しており、ラップトップのバッテリーパック、懐中電灯、ポータブルパワーバンクでは 18650 セルが依然として一般的です。標準化されたサイズにより、デバイス間で交換可能となり、堅牢なアフターマーケットエコシステムをサポートします。

現在、電気自動車は最も大量の円筒形電池を消費します。モデル S 車両のテスラのバッテリーパックには、高度な冷却および監視システムを備えたモジュールに配置された約 7,000 個の 18650 または 21700 セルが含まれています。 Lucid Air Dream は、6,600 個の円筒形 21700 セルを使用して、113 kWh のパックを実現します。 BMWは、NEUE KLASSEモデルに直径46mmの円筒形セルを採用し、契約額は数百億ユーロに上ると発表した。

電動工具では、優れた放電能力を備えた 21700 セルの採用が増えています。 18650 セルを使用した標準の 18V バッテリーパックは約 800 W の出力を提供しますが、同等の 21700- ベースのパックは最大 1,440 W を生成し、電力が 80% 増加します。これにより、コードレスツールはコード付きツールと同等以上のパフォーマンスを得ることができます。

宇宙探査は円筒形セルに依存しています。その理由は、その堅固な構造が極度の圧力差や機械的ストレスに耐えられるからです。 Mars Ingenuity ヘリコプタと Perseverance 探査車はどちらも、火星の過酷な環境にもかかわらず確実に機能する円筒形リチウムイオン電池を使用して動作します。-フォーミュラ E レーシングカーは同様のセル形式を使用し、厳しい条件下でもパフォーマンスを発揮します。

医療機器、緊急バックアップシステム、グリッドスケールのエネルギー貯蔵には、円筒形セルが組み込まれることが増えています。{0}実証済みの安全実績、長いサイクル寿命（多くの場合 500 回の充放電サイクルを超える）、機械的酷使に耐える能力により、故障が深刻な結果をもたらすミッションクリティカルな用途に適しています。{3}}

エネルギー密度は、円筒型セルが効果的に競合するための重要な性能指標を表します。最新の 21700 NMC セルはセルレベルで 250-300 Wh/kg を達成し、モジュール構造と熱管理システムを考慮するとパックレベルの密度は 170～200 Wh/kg に達します。テスラの仕様によれば、4680 フォーマットは 244 Wh/kg を目標としていますが、商業生産の結果は独立したテストで検証されます。

特定の用途では、出力密度によって円筒形セルと角柱形セルが区別されます。円筒形の電池は並列に接続されているため、容量のアンペア時あたりにより多くの電流経路が提供されます。-このアーキテクチャにより、高ドレインアプリケーションで最大 35A の放電レートが可能になります。-複数の並列接続により、発熱がより多くのセルに分散され、ピーク電力需要時の個々のセルの過熱が防止されます。

サイクル寿命は、化学的性質、動作条件、放電深さに大きく依存します。 LiFePO4 円筒形セルは、80% の容量を維持しながら 2,000 サイクルを超えることができるため、定置保管に魅力的です。 NMC 化学反応は通常、充電速度と周囲温度が異なる自動車の使用プロファイル下で 500 ～ 1,000 サイクルを実現します。堅牢なケーシングは、他のフォーマットを劣化させる機械的ストレスから内部コンポーネントを保護します。

内部抵抗は性能と加熱特性の両方に影響します。 -適切に設計された円筒形セルは、最適化されたタブ接続と集電により低抵抗を維持します。 4680 セルで導入されたテーブルレス設計では、従来のタブが排除され、代わりに電極の端全体がケースに直接接続されています。これにより抵抗が約 50% 減少し、熱性能が大幅に向上します。

-高品質の円筒型電池の自己放電率は、室温で月あたり 3% 未満にとどまります。密閉された金属ケースは湿気の侵入を防ぎ、劣化を促進する副反応を最小限に抑えます。この安定性により長期保存が可能となり、円筒形セルは使用頻度の低いバックアップ電源システムに適しています。-

円筒形セルを機能的なリチウムイオン電池パックに組み立てるには、機械的、電気的、熱的な設計に細心の注意を払う必要があります。セルは、冷却システムとの熱接触を維持しながら、振動や衝撃に耐えられるようにしっかりと配置する必要があります。

バッテリーパックの設計は通常、目標の電圧と容量を達成するためにセルを直列並列構成に配置します。{0} 400V の電気自動車パックでは、必要なアンペア時定格に達するために、96 個のセルを直列に使用し (96S)、複数の並列ストリングを使用する場合があります。- 5 Ah 容量の 21,700 セルを使用する場合、100 kWh を達成するには、96S208P 構成で 20,000 セルが必要です。

セルの相互接続には、エンジニアリング上の重大な課題があります。正極と負極のそれぞれの端子は、一定の抵抗値でバスバーまたは相互接続プレートに溶接する必要があります。溶接が不十分だと、パック全体にホットスポットや電圧の不均衡が生じます。自動レーザーまたは超音波溶接システムは再現性を保証しますが、必要な総接続数が少ない角柱セルと比較して製造の複雑さが増加します。

バッテリー管理システムは、安全な動作を維持するために個々のセルの電圧、温度、電流を監視します。数千の円筒セルを含むパックの場合、BMS は同等の角柱デザインと比較して、より多くの個々のユニットを追跡する必要があります。これにより、システムの複雑さとコストが増加しますが、モジュール式の BMS アーキテクチャは規模の管理に役立ちます。

円筒形セルの機械的パッケージングでは通常、体積効率を最大化するために六方最密充填が使用されますが、それでもセル間に約 10% の空隙が残ります。{0}}これらのギャップは冷却チャネルを収容しますが、ほぼ 100% の空間利用率を達成する角形セルと比較してパックのエネルギー密度が低下します。熱管理と容積効率の間のトレードオフにより、アーキテクチャ上の決定が決まります。

セルレベルの融着により、円筒形パックに安全上の利点がもたらされます。{0} 1 つのセルに障害が発生した場合、個々のヒューズがそのセルをストリングから切り離し、パックの残りのセルが低下した容量で動作を継続できるようにします。このフォールトトレランスは、単一セルの障害がモジュール全体に影響を及ぼす可能性がある大規模な角型セルでは達成が困難です。{{3}

円筒型セルと角柱型セルのどちらを選択するかには、技術的および経済的な複数のトレードオフが関係します。角柱状セルは、長方形の形状により円筒面間の隙間がなくなり、優れたスペース利用率を実現します。これはパックレベルでの体積エネルギー密度が 10 ～ 20% 向上することになり、これは車両の航続距離と貨物スペースにとって非常に重要です。

ただし、角形電池は製造コストが高くなります。大型のフォーマットでは、正確な積み重ねや巻き取り、-円筒巻きよりもゆっくりとした平坦化プロセスが必要です。-さまざまな車両プラットフォームに合わせて寸法をカスタマイズすると、規模の経済が妨げられ、メーカーは少数の標準化された円筒形セルと比較して、数十種類の異なる角柱セル設計を生産します。

熱管理の複雑さは大幅に異なります。角柱状セルはしっかりとパックされるため、セル間またはパックの表面に沿って冷却プレートが必要です。セル中心部からの熱抽出は、特に容量が 100 Ah を超える大型角形セルの場合に課題が生じます。-円筒形セルは、その小さな断面を通じて自然に熱を分散させ、冷却剤の循環を可能にする隙間の恩恵を受けます。-

製造上の欠陥率はシステムの信頼性に影響を与えます。大容量セルが直列に接続されているため、単一の角形セルに欠陥があると、モジュール全体が損傷する可能性があります。-円筒形のパックは容量を数千のセルに分散するため、個々の障害による影響は最小限に抑えられます。成熟した円筒形の製造プロセスでは、セルあたりの欠陥も少なくなります。

円筒形フォーマットの標準化により、柔軟なサプライチェーンが可能になります。バッテリーパックのメーカーは、複数のサプライヤーから 18650 または 21700 セルを調達し、必要に応じてベンダーを切り替えることができます。角形セルは通常、特定のサプライヤーに関連付けられたカスタム設計を必要とするため、柔軟性が低下し、サプライチェーンのリスクが増大する可能性があります。

修理とメンテナンスの観点から見ると、モジュール式円筒形パックにより、技術者は個々のセルや小さなモジュールを交換できます。プリズムパックの設計では、マルチセルモジュール全体の交換が必要になることが多く、サービスコストが増加します。-これは、ダウンタイムと修理費用を最小限に抑えることが総所有コストに影響を与える商用車フリートにとって特に重要です。

円筒形セルには、危険な故障を防ぐための複数の安全機構が組み込まれています。金属製のケーシングは防御の第一線となり、内部コンポーネントを収容し、機械的ストレス下でも構造の完全性を維持します。内部圧力が安全な閾値を超えると圧力逃がしベントが作動し、セルが壊滅的に破裂する前にガスを放出します。

内部圧力が危険なほど上昇した場合、電流遮断装置 (CID) がセルを永久に切断します。薄い膜は所定の圧力レベルで破壊され、正極端子をセル内部から物理的に分離します。これにより、さらなる電気化学反応が防止され、爆発の危険がなくなりますが、セルは永久に無効になります。

円筒形状自体が安全性に貢献します。ガス発生による内圧が湾曲した壁全体に均一に分散され、応力集中が軽減されます。角柱状のセルは角で大きな応力を受け、ケースの変形や漏れを引き起こす可能性があります。また、丸い形状は、熱暴走が起こった際にも構造の完全性を維持し、高温のガスをケーシングを破裂させるのではなくリリーフベントに導きます。

バッテリー管理システムは、セルの電圧、電流、温度を監視することで電子安全制御を提供します。いずれかのパラメータが安全限界を超えた場合、BMS は充電/放電速度を下げるか、パックを負荷から完全に切断します。円筒形セルの場合、個々のセルを監視することで、隣接するセルに影響を与える前に、故障したセルを早期に検出できます。

熱暴走-最も深刻なリチウムイオンバッテリーの故障モード--は、すべての形式で依然として懸念されています。円筒型セルは、大型の角型セルに比べてユニットあたりの総エネルギーが少ないため、熱暴走が発生しても放出される熱が少なくなります。{4}}複数の-セルのアーキテクチャは、適切な熱障壁がセルを分離していれば、単一のセルが暴走に陥ってもすぐには連鎖故障を引き起こさないことを意味します。

業界の安全性試験には、釘刺し、外部短絡、過充電、過放電、高温暴露試験が含まれます。-高品質の円筒形セルは、発火や爆発を起こすことなくこれらのテストに合格します。金属ケースと安全機能が連携して、セルが通常の動作条件を超えて乱用された場合でも、危険な結果を防ぎます。

Cylindrical Cells

テーブルレスセルの設計は、円筒セル技術における最近の最も重要な革新を表しています。従来の電池はタブ-電極の端に溶接された薄い金属ストリップ-を使用して、ゼリーロールと端子の間に電流を流します。これらのタブにより電気抵抗と発熱が生じ、パフォーマンスが制限されます。

テーブルレス設計では、電極の端全体をセルのケーシングとキャップに直接接続することで、これらの個別のタブを排除します。これにより、電流経路の長さと抵抗が大幅に減少し、電気的性能と熱的性能の両方が向上します。 Tesla の 4680 セルは、タブ付き 21700 セルと比較して抵抗を約 50% 低減する準テーブルレス設計を採用しています。{3}

アルミニウムケーシングは、高性能アプリケーションにおいて従来のニッケル-めっきスチールに取って代わりつつあります。-アルミニウムの優れた熱伝導率 (約 205 W/m・K に対し、スチールの場合は 50 W/m・K) により、より効果的な熱抽出が可能になります。深絞り-および壁しごき-の製造プロセスにより、肉厚 0.75 mm、底部 0.9 mm のアルミニウム缶が作成され、重量を削減しながら機械的強度を維持します。

シリコン強化アノード材料は、エネルギー密度の大幅な向上を約束します。{0}グラファイトの一部をシリコンに置き換えると、シリコンは単位質量当たりより多くのリチウムを蓄えるため、容量が増加します。ただし、シリコンはリチウム化中に劇的に膨張し、ゼリーロールに機械的ストレスが発生します。メーカーは、構造安定性の課題に対して容量増加のバランスをとるシリコン-グラファイト複合陽極を開発しています。

乾式電極コーティングプロセスは、製造コストと環境への影響を削減できる可能性があります。従来の電極の製造では、乾燥する必要がある溶媒ベースのスラリーが必要であり、大量のエネルギーを消費します。{1}ドライコーティング技術は、溶媒を使用せずに活物質を塗布するため、乾燥ステップが不要になり、より高いエネルギー密度でより厚い電極が可能になります。

業界は、4680 を超えるさらに大きな円筒形フォーマットの探索を続けています。理論的研究では 5070 セル、さらには 6080 セルも検討していますが、直径に応じて熱管理の課題は増加します。最適なサイズにより、製造効率、セル数削減によるコスト削減、管理しやすい熱特性のバランスが取れます。

円筒形セル市場は、2023年の390億2000万ドルから、2024年には世界全体で610億4000万ドルに達しました。この成長軌道は、電気自動車の採用、エネルギー貯蔵システムの導入、電動工具や家庭用電化製品におけるアプリケーションの拡大によって引き続き推進されています。

電気自動車が主な成長原動力となっており、46xx 円筒形市場は 2031 年までに 822 億 2,000 万ドルに達する可能性があるとの予測があります。Tesla 以外にも複数の自動車メーカーが大型円筒形セルを採用しており、その中には、NEUE KLASSE 車両向けに CATL および EVE Energy と結んだ BMW の数-億ユーロの契約も含まれます。

メーカーが生産プロセスを最適化するにつれて、角形セルとの競争が激化しています。角柱形式は中国の EV 市場を支配しており、世界的に勢いを増しています。しかし、円筒形セルは、サプライチェーン、製造インフラ、パック設計が数十年にわたって最適化されてきた確立された市場において優位性を維持しています。

化学の進化は市場のダイナミクスを形成します。リン酸鉄リチウム（LFP）円筒型電池は、ニッケルベースの化学物質と比較して材料コストが低く、安全性が向上しているため、市場シェアを獲得しています。- LFP はエネルギー密度が低い一方で、そのコスト上の利点と優れたサイクル寿命により、システムの総コストよりもスペースの制約が重要となる商用車や定置式保管庫にとって魅力的です。

全固体電池の開発により、円筒型セルのアーキテクチャが破壊される可能性があります。{0}固体電解質により液体電解質が不要になるため、より高いエネルギー密度と安全性の向上が可能になる可能性があります。しかし、充電中の機械的膨張は、円筒形セルで使用される巻かれたゼリーロール構造に課題をもたらします。一部の研究者は、ソリッドステート技術が角柱またはパウチ形式に有利である可能性があると示唆しています。{4}

円筒形セルの標準化された性質により、破壊的な変化に対する回復力が提供されます。新しい化学物質やセル形式が出現しても、円筒形セルを使用するデバイスや車両の大規模な設置ベースにより、交換品やアフターマーケット用途向けの継続的な生産が保証されます。

円筒形電池は、丸い金属缶の中に巻かれたゼリーロール構造を使用しますが、角形電池は、長方形のケース内に積み重ねられた、または巻かれた平らな電極を使用します。{0}{1}{0}{1}円筒形の形式では、自動生産により放熱が向上し、製造コストが低くなりますが、角形セルの方がバッテリーパック内のスペース利用率が高くなります。

サイクル寿命は化学的性質や使用条件によって異なります。リン酸鉄リチウム (LFP) 円筒形セルは、通常、容量が 80% に低下するまでに 2,000 ～ 3,000 サイクルを実行します。 NMC 化学セルは、自動車用途で 500 ～ 1,000 サイクルを提供します。カレンダーの寿命は、25 度以下の適度な温度で保管すると 10 年を超えることがよくあります。

小型の円筒形セルは、熱管理、製造の成熟度、耐障害性の面で利点があります。セル間の隙間により効果的な冷却が可能になり、標準化されたフォーマットによりスケールメリットが活かされ、個々のセルの故障がパック全体に悪影響を与えることはありません。ただし、4680 セルなどのより大きなフォーマットへの傾向は、これらの利点を維持しながらセル数を削減することを目的としています。

高品質の円筒形セルには、圧力逃がしベント、電流遮断装置、堅牢な金属ケースなどの複数の安全機能が組み込まれています。仕様内で適切に製造および使用されていれば、致命的な故障が発生することは非常にまれです。バッテリー管理システムは、過充電、過放電、過熱状態を防止することで追加の保護を提供します。-

Cylindrical Cells

円筒形のセル形式は非常に適応性が高いことが証明されており、ラップトップのバッテリーから車両やグリッドストレージシステムへの電力供給へと進化しています。角柱型やパウチ型の代替品には一定の利点がありますが、製造効率、熱管理機能、数十年にわたる最適化の組み合わせにより、円筒形セルは多くの用途にわたって競争力を維持しています。より大型のフォーマット、改善された化学的性質、高度な製造技術の継続的な開発は、特に最大体積効率よりも信頼性、費用対効果、実証済みの性能を重視する用途において、円筒形セルが今後何年にもわたってエネルギー貯蔵ソリューションの中心であり続けることを示唆しています。-