Akumulator litowo-polimerowy - Lithium polymer battery

Akumulator litowo-polimerowy
Lipolybateria.jpg
Bateria litowo-polimerowa służąca do zasilania smartfona
Specyficzna energia 100–265 W·h / kg (0,36–0,95 MJ/kg)
Gęstość energii 250-730 W-h / L (0.90-2.63 MJ / L)

Bateria litowo-polimerowa , albo bardziej poprawnie polimerowa litowo-jonowych (w skrócie LiPo , LIP , Li-poli , litu poli i inni) jest akumulator stanowi akumulator litowo-jonowy Technologię polimerowy elektrolit zamiast ciekłego elektrolitu. Elektrolit ten tworzą półstałe ( żelowe ) polimery o wysokiej przewodności . Baterie te zapewniają wyższą energię właściwą niż inne typy baterii litowych i są używane w zastosowaniach, w których waga jest krytyczną cechą, takich jak urządzenia mobilne , samoloty sterowane radiowo i niektóre pojazdy elektryczne .

Historia

Ogniwa LiPo podążają za historią ogniw litowo-jonowych i litowo-metalowych , które przeszły szeroko zakrojone badania w latach 80., osiągając znaczący kamień milowy dzięki pierwszym komercyjnym cylindrycznym ogniwom litowo-jonowym firmy Sony w 1991 r. Potem ewoluowały inne formy opakowań, w tym płaski format woreczka.

Pochodzenie projektu i terminologia

Ogniwa litowo- polimerowe wyewoluowały z akumulatorów litowo-jonowych i litowo-metalowych . Główna różnica polega na tym, że zamiast stosowania cieczy litu -salt elektrolitu (np LiPF 6 ) odbywa się w rozpuszczalniku organicznym (na przykład EC / DMC / DEC ), akumulator wykorzystuje elektrolitu stałego polimeru (SPE), takie jak poli (etylen tlenku) (PEO), poli(akrylonitryl) (PAN), poli(metakrylan metylu) (PMMA) lub poli(fluorek winylidenu) (PVdF).

Elektrolit stały można zwykle sklasyfikować jako jeden z trzech typów: suchy SPE, żelowany SPE i porowaty SPE. Suchy SPE został po raz pierwszy użyty w prototypowych akumulatorach, około 1978 roku przez Michela Armanda i 1985 przez ANVAR i Elf Aquitaine z Francji oraz Hydro Quebec z Kanady. Od 1990 r. kilka organizacji, takich jak Mead i Valence w Stanach Zjednoczonych oraz GS Yuasa w Japonii, opracowało baterie wykorzystujące żelowane SPE. W 1996 roku firma Bellcore w Stanach Zjednoczonych ogłosiła ładowalne ogniwo litowo-polimerowe wykorzystujące porowate SPE.

Typowe ogniwo składa się z czterech głównych elementów: elektrody dodatniej, elektrody ujemnej, separatora i elektrolitu . Sam separator może być polimerem , takim jak mikroporowata folia z polietylenu (PE) lub polipropylenu (PP); tak więc, nawet jeśli ogniwo ma ciekły elektrolit, nadal będzie zawierało składnik „polimerowy”. Oprócz tego, elektroda dodatnia może być dalej podzielona na trzy części: litu-metalu przejściowego-tlenku (np LiCoO 2 lub LIMN 2 O 4 ) dodatek przewodzący oraz lepiszcze polimeru poli (fluorek winylidenu) (PVdF). Materiał elektrody ujemnej może mieć te same trzy części, tylko z węglem zastępującym tlenek litowo-metaliczny.

Zasada działania

Podobnie jak w przypadku innych ogniw litowo-jonowych, LiPos działają na zasadzie interkalacji i deinterkalacji jonów litu z materiału elektrody dodatniej i materiału elektrody ujemnej, przy czym ciekły elektrolit zapewnia ośrodek przewodzący. Aby elektrody nie dotykały się bezpośrednio, pomiędzy nimi znajduje się mikroporowaty separator, który umożliwia migrację tylko jonów, a nie cząstek elektrody z jednej strony na drugą.

Napięcie i stan naładowania

Napięcie pojedynczego ogniwa LiPo zależy od jego składu chemicznego i waha się od około 4,2 V (całkowicie naładowany) do około 2,7-3,0 V (całkowicie rozładowany), gdzie napięcie nominalne wynosi 3,6 lub 3,7 V (około średniej wartości najwyższej i najniższej). wartość) dla ogniw opartych na tlenkach litowo-metalowych (takich jak LiCoO 2 ). Porównuje się to do 3,6-3,8 V (naładowany) do 1,8-2,0 V (rozładowany) dla tych opartych na fosforanie litowo-żelazowym (LiFePO 4 ).

Dokładne wartości napięcia powinny być określone w kartach danych produktu, przy założeniu, że ogniwa powinny być chronione przez obwód elektroniczny, który nie pozwoli im na przeładowanie ani nadmierne rozładowanie podczas użytkowania.

Pakiety LiPo , z ogniwami połączonymi szeregowo i równolegle, posiadają osobne wyprowadzenia dla każdego ogniwa. Wyspecjalizowana ładowarka może monitorować ładowanie w oparciu o ogniwo, dzięki czemu wszystkie ogniwa są doprowadzane do tego samego stanu naładowania (SOC).

Wywieranie nacisku na ogniwa LiPo

Eksperymentalny polimerowy akumulator litowo-jonowy wyprodukowany przez Lockheed-Martin dla NASA

W przeciwieństwie do cylindrycznych i pryzmatycznych ogniw litowo-jonowych, które mają sztywną metalową obudowę, ogniwa LiPo mają elastyczną obudowę typu foliowego ( laminat polimerowy ), dzięki czemu są stosunkowo nieskrępowane.

Lekkość jest zaletą, gdy aplikacja wymaga minimalnej wagi, jak w przypadku samolotów sterowanych radiowo . Stwierdzono jednak, że umiarkowany nacisk na stos warstw składających się na ogniwo skutkuje zwiększonym zachowaniem pojemności, ponieważ kontakt pomiędzy elementami jest maksymalizowany i zapobiega się delaminacji i deformacji, co wiąże się ze wzrostem impedancji i degradacją ogniwa.

Żywotność baterii

Ładowanie/rozładowanie w temp. 0.5C/0.5C, 80% pojemności resztkowej po 500 cyklach.

Aplikacje

Sześciokątny akumulator litowo-polimerowy do pojazdów podwodnych produkcji Custom Cells Itzehoe GmbH

Ogniwa LiPo zapewniają producentom przekonujące korzyści. Mogą z łatwością wyprodukować baterie o niemal każdym pożądanym kształcie. Na przykład można spełnić wymagania dotyczące przestrzeni i wagi urządzeń mobilnych i notebooków . Mają również niski wskaźnik samorozładowania, który wynosi około 5% miesięcznie.

Sprzęt i samoloty sterowane radiowo

3-ogniwowy akumulator LiPo do modeli RC

Baterie LiPo są teraz niemal wszechobecny, gdy używany do zasilania sterowanych radiowo samolotów , samochodów sterowanych radiem i wielkoskalowych modeli kolejek, gdzie korzyści z niższą wagą i zwiększoną pojemność i dostawą energii uzasadnić cenę. Raporty z testów ostrzegają o ryzyku pożaru, gdy baterie są używane niezgodnie z instrukcją.

Napięcie do długotrwałego przechowywania baterii LiPo stosowanej w modelu R/C powinno wynosić 3,6~3,9V na ogniwo, w przeciwnym razie może to spowodować uszkodzenie baterii.

Pakiety LiPo znajdują również szerokie zastosowanie w airsoft , gdzie ich wyższe prądy rozładowania i lepsza gęstość energii w porównaniu z bardziej tradycyjnymi akumulatorami NiMH mają bardzo zauważalny wzrost wydajności (większa szybkostrzelność). Wysoki prąd rozładowania do uszkodzić styki przełączające na skutek wyładowania łukowego (powodując styków do utleniania i często nagaru), a więc zaleca się Użyć półprzewodnikowy MOSFET przełącznika lub regularnego czyszczenia do styków.

Elektronika osobista

Baterie LiPo są wszechobecne w urządzeniach mobilnych , power bankach , bardzo cienkich laptopach , przenośnych odtwarzaczach multimedialnych , bezprzewodowych kontrolerach do konsol do gier wideo , bezprzewodowych urządzeniach peryferyjnych PC , elektronicznych papierosach i innych aplikacjach , w których poszukiwane są małe obudowy , a wysoka gęstość energii przewyższa koszty względy.

Pojazdy elektryczne

Hyundai Motor Company używa tego typu baterii w niektórych swoich akumulatorach elektrycznych i hybrydowych , a także Kia Motors w swoich akumulatorach elektrycznych Kia Soul . Bolloré Bluecar , który jest stosowany w systemach udostępniania samochodu w kilku miastach, również korzysta z tego typu baterii.

Systemy UPS

Baterie litowo-jonowe stają się coraz bardziej powszechne w systemach UPS . Oferują liczne korzyści w porównaniu z tradycyjną baterią VRLA, a dzięki poprawie stabilności i bezpieczeństwa rośnie zaufanie do tej technologii. Ich stosunek mocy do rozmiaru i wagi jest postrzegany jako główna zaleta w wielu branżach wymagających krytycznego zasilania awaryjnego, w tym w centrach danych, w których przestrzeń jest często na wagę złota. Dłuższy cykl życia, użyteczna energia (głębokość rozładowania) i niestabilność termiczna są również postrzegane jako zaleta stosowania akumulatorów Li-po w porównaniu z akumulatorami VRLA.

Szybki rozrusznik

Akumulator używany do uruchamiania silnika pojazdu ma zwykle napięcie 12 V lub 24 V, więc przenośny rozruch lub urządzenie wspomagające akumulator wykorzystuje szeregowo trzy lub sześć akumulatorów LiPo (3S1P/6S1P) do awaryjnego uruchomienia pojazdu, zamiast innych urządzeń rozruchowych metody . Cena rozruchowych rozruszników kwasowo-ołowiowych jest niższa, ale są one większe i cięższe niż porównywalne akumulatory litowe, dlatego takie produkty przeszły głównie na akumulatory LiPo lub czasami na akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe.

Bezpieczeństwo

Akumulator litowo-jonowy Apple iPhone 3GS , który rozszerzył się z powodu awarii zwarcia.

Wszystkie ogniwa litowo-jonowe rozszerzają się przy wysokim poziomie naładowania (SOC) lub przeładowaniu, ze względu na niewielkie parowanie elektrolitu. Może to skutkować rozwarstwieniem , a tym samym złym kontaktem wewnętrznych warstw ogniwa, co z kolei obniża niezawodność i ogólną żywotność ogniwa. Jest to bardzo zauważalne w przypadku LiPo, które mogą widocznie się napompować ze względu na brak sztywnej obudowy, aby powstrzymać ich ekspansję.

Dla porównania z ogniwami LFP na ten temat, zobacz Bezpieczeństwo ogniw LiFe

Ogniwa litowe ze stałym elektrolitem polimerowym

Ogniwa ze stałymi elektrolitami polimerowymi nie osiągnęły pełnej komercjalizacji i nadal są przedmiotem badań. Prototypowe ogniwa tego typu można by uznać za znajdujące się pomiędzy tradycyjną baterią litowo-jonową (z płynnym elektrolitem) a całkowicie plastikową, półprzewodnikową baterią litowo-jonową .

Najprostszym podejściem jest zastosowanie matrycy polimerowej, takiej jak polifluorek winylidenu (PVdF) lub poli(akrylonitryl) (PAN), żelowanych konwencjonalnymi solami i rozpuszczalnikami, takimi jak LiPF 6 w EC / DMC / DEC .

Nishi wspomina, że Sony rozpoczęło badania nad ogniwami litowo-jonowymi z żelowanymi elektrolitami polimerowymi (GPE) w 1988 roku, przed komercjalizacją ogniwa litowo-jonowego z ciekłym elektrolitem w 1991 roku. niezbędny. Ostatecznie ten typ ogniwa wszedł na rynek w 1998 roku. Scrosati twierdzi jednak, że w ścisłym tego słowa znaczeniu membrany żelowane nie mogą być klasyfikowane jako „prawdziwe” elektrolity polimerowe, ale raczej jako układy hybrydowe, w których fazy ciekłe są zawarte w polimerze. matryca. Chociaż te elektrolity polimerowe mogą być suche w dotyku, nadal mogą zawierać od 30% do 50% ciekłego rozpuszczalnika. W związku z tym, jak naprawdę zdefiniować, czym jest „bateria polimerowa”, pozostaje kwestią otwartą.

Inne terminy stosowane w literaturze dla tego układu obejmują hybrydowy elektrolit polimerowy (HPE), gdzie „hybryda” oznacza połączenie matrycy polimerowej, ciekłego rozpuszczalnika i soli. Był to system, który firma Bellcore wykorzystała do opracowania wczesnych ogniw litowo-polimerowych w 1996 roku, które nazwano „plastikowym” ogniwem litowo-jonowym (PLiON), a następnie skomercjalizowano w 1999 roku.

Stały elektrolit polimerowy (SPE) to wolny od rozpuszczalników roztwór soli w ośrodku polimerowym. Może to być na przykład związek bis(fluorosulfonylo)imidu litu (LiFSI) i poli(tlenku etylenu) o dużej masie cząsteczkowej (PEO) lub poli(węglan trimetylenu) (PTMC) o dużej masie cząsteczkowej.

Wydajność tych proponowanych elektrolitów jest zwykle mierzona w konfiguracji półogniwowej względem elektrody z metalicznego litu , dzięki czemu system jest ogniwem „ litowo-metalowym ”, ale został również przetestowany ze zwykłym materiałem katodowym litowo-jonowym, takim jak lit. -fosforan żelaza (LiFePO 4 ).

Inne próby zaprojektowania ogniwa z elektrolitem polimerowym obejmują zastosowanie nieorganicznych cieczy jonowych, takich jak tetrafluoroboran 1-butylo-3-metyloimidazoliowy ([BMIM]BF 4 ) jako plastyfikator w mikroporowatej matrycy polimerowej, takiej jak poli(fluorek winylidenu-ko-heksafluoropropylen) /poli(metakrylan metylu) (PVDF-HFP/PMMA).

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki