Литий-полимерный аккумулятор - Lithium polymer battery

Литий-полимерный аккумулятор
	Литий-ионный полимерный аккумулятор, используемый для питания смартфона.
Удельная энергия	100–265 Вт · ч / кг (0,36–0,95 МДж / кг)
Плотность энергии	250–730 Вт · ч / л (0,90–2,63 МДж / л)

Батарея полимера лития , или более правильно литий-ионный полимерный аккумулятор (сокращенно LiPo , LIP , Li-поли , литий-поли и другие), является аккумуляторная батарея из литий-ионной технологии с использованием полимерного электролита вместо жидкого электролита. Этот электролит образуют полутвердые ( гелевые ) полимеры с высокой проводимостью . Эти батареи обеспечивают более высокую удельную энергию, чем другие типы литиевых батарей, и используются в приложениях, где вес является важной характеристикой, например, в мобильных устройствах и радиоуправляемых самолетах .

История

Ячейки LiPo следуют истории литий-ионных и литий-металлических элементов, которые подверглись обширным исследованиям в 1980-х годах, достигнув важной вехи с выпуском первого коммерческого цилиндрического литий-ионного элемента Sony в 1991 году. После этого развивались другие формы упаковки, включая плоский формат мешочка.

Происхождение дизайна и терминология

Литий-полимерные элементы произошли от литий-ионных и литий-металлических батарей . Основное отличие состоит в том, что вместо жидкого литиево- солевого электролита (такого как LiPF ₆ ), содержащегося в органическом растворителе (таком как EC / DMC / DEC ), в батарее используется твердый полимерный электролит (SPE), такой как полиэтилен. оксид) (PEO), поли (акрилонитрил) (PAN), поли (метилметакрилат) (PMMA) или поливинилиденфторид (PVdF).

Твердый электролит обычно можно разделить на три типа: сухой ТФЭ, гелеобразный ТФЭ и пористый ТФЭ. Сухой SPE был впервые использован в прототипах батарей примерно в 1978 году Мишелем Арманом , в 1985 году - ANVAR и Elf Aquitaine из Франции и Hydro Quebec из Канады. С 1990 года несколько организаций, такие как Mead и Valence в США и GS Yuasa в Японии, разработали батареи с использованием гелеобразных SPE. В 1996 году Bellcore в США анонсировала перезаряжаемый литий-полимерный элемент с использованием пористого ТФЭ.

Типичная ячейка состоит из четырех основных компонентов: положительного электрода , отрицательного электрода, сепаратора и электролита . Сам сепаратор может быть полимером , например микропористой пленкой из полиэтилена (PE) или полипропилена (PP); таким образом, даже если в элементе есть жидкий электролит, он все равно будет содержать «полимерный» компонент. В дополнение к этому положительный электрод можно дополнительно разделить на три части: оксид лития-переходного металла (например, LiCoO ₂ или LiMn ₂ O ₄ ), проводящую добавку и полимерное связующее из поливинилиденфторида. (ПВдФ). Материал отрицательного электрода может состоять из тех же трех частей, только с углеродом вместо оксида лития-металла.

Принцип работы

Как и другие литий-ионные элементы, LiPos работают по принципу интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития из материала положительного электрода и материала отрицательного электрода, при этом жидкий электролит обеспечивает проводящую среду. Чтобы электроды не соприкасались друг с другом напрямую, между ними находится микропористый сепаратор, который позволяет только ионам, но не частицам электрода, перемещаться с одной стороны на другую.

Напряжение и состояние заряда

Напряжение отдельного элемента LiPo зависит от его химического состава и варьируется от примерно 4,2 В (полностью заряженный) до примерно 2,7–3,0 В (полностью разряженный), где номинальное напряжение составляет 3,6 или 3,7 В (примерно среднее значение наивысшего и минимального значения. ). Для элементов на основе оксидов лития-металла (например, LiCoO ₂ ); для сравнения: от 1,8–2,0 В (в разряженном состоянии) до 3,6–3,8 В (в заряженном состоянии) для устройств на основе фосфата лития-железа (LiFePO ₄ ).

Точные значения напряжения должны быть указаны в технических паспортах продукта, с пониманием того, что элементы должны быть защищены электронной схемой, которая не позволит им чрезмерно заряжаться или разряжаться при использовании.

Для LiPo аккумуляторных блоков с элементами, соединенными последовательно и параллельно, для каждой ячейки предусмотрены отдельные выводы. Специализированное зарядное устройство может контролировать заряд для каждой ячейки, чтобы все ячейки были приведены в одно и то же состояние заряда (SOC).

Давление на ячейки LiPo

Экспериментальный литий-ионный полимерный аккумулятор, сделанный Lockheed-Martin для НАСА

В отличие от литий-ионных цилиндрических и призматических элементов, которые имеют жесткий металлический корпус, элементы LiPo имеют гибкий корпус из фольги (полимерный ламинат ), поэтому они относительно свободны.

Небольшой вес является преимуществом, когда приложение требует минимального веса, как в случае радиоуправляемого самолета . Однако было установлено, что умеренное давление на стопку слоев, составляющих ячейку, приводит к повышенному сохранению емкости, поскольку контакт между компонентами максимален и предотвращается расслоение и деформация, что связано с увеличением импеданса ячейки и деградацией.

Приложения

Гексагональный литий-полимерный аккумулятор для подводных аппаратов производства Custom Cells Itzehoe GmbH

Элементы LiPo предоставляют производителям неоспоримые преимущества. Они могут легко изготавливать батареи практически любой желаемой формы. Например, могут быть выполнены требования к габаритам и весу мобильных устройств и ноутбуков . Также у них низкая скорость саморазряда, которая составляет около 5% в месяц.

Радиоуправляемое оборудование и летательные аппараты

3-элементный LiPo аккумулятор для моделей RC

LiPo аккумуляторы теперь почти повсеместно используются для питания радиоуправляемых самолетов , радиоуправляемых автомобилей и крупномасштабных моделей поездов, где преимущества меньшего веса и увеличенной емкости и мощности оправдывают свою цену. Отчеты об испытаниях предупреждают об опасности возгорания, если батареи не используются в соответствии с инструкциями.

Блоки LiPo также широко используются в страйкболе , где их более высокие токи разряда и лучшая плотность энергии по сравнению с более традиционными NiMH батареями имеют очень заметный прирост производительности (более высокая скорострельность). Высокие токи разряда действительно повреждают контакты переключателя из-за образования дуги (вызывая окисление контактов и часто отложение нагара), поэтому рекомендуется либо использовать твердотельный переключатель MOSFET, либо регулярно очищать контакты триггера.

Персональная электроника

LiPo-батареи широко используются в мобильных устройствах , блоках питания , очень тонких портативных компьютерах , портативных медиаплеерах , беспроводных контроллерах для игровых консолей, беспроводных периферийных устройствах ПК, электронных сигаретах и других приложениях, где требуются малые форм-факторы, а высокая плотность энергии перевешивает стоимость. соображения.

Электрические транспортные средства

Литий-ионные элементы в формате пакета исследуются для питания аккумуляторных электромобилей . Хотя можно использовать большое количество ячеек малой емкости для получения требуемых уровней мощности и энергии для управления автомобилем, некоторые производители и исследовательские центры рассматривают для этой цели литий-ионные элементы большого формата емкостью более 50 Ач. . При более высоком содержании энергии на элемент количество элементов и электрических соединений в аккумуляторной батарее , безусловно, уменьшится, но опасность, связанная с отдельными элементами такой высокой емкости, может быть выше.

Hyundai Motor Company использует этот тип аккумулятора в некоторых своих гибридных автомобилях , а также Kia Motors в своем электрическом аккумуляторе Kia Soul . Bolloré Bluecar , который используется в схемах совместного автомобиля в ряде городов, также использует этот тип батареи.

Выпускаются легкие самолеты и самозапускающиеся планеры, такие как Lange Antares 20E и Alisport Silent 2 Electro и Pipistrel WATTsUP . Некоторые более крупные планеры, такие как Schempp-Hirth Ventus-2, используют технологию самоподдерживающихся двигателей.

Безопасность

Литий-ионный аккумулятор Apple iPhone 3GS , который расширился из-за короткого замыкания.

Элементы LiPo подвержены тем же проблемам, что и другие литий-ионные элементы. Это означает, что перезаряд, чрезмерный разряд, перегрев, короткое замыкание , раздавливание и проникновение гвоздей могут привести к катастрофическому отказу, включая разрыв пакета, утечку электролита и пожар.

Все литий-ионные элементы расширяются при высоком уровне заряда (SOC) или избыточном заряде из-за небольшого испарения электролита. Это может привести к расслоению и, следовательно, к плохому контакту внутренних слоев элемента, что, в свою очередь, снижает надежность и общий срок службы элемента. Это очень заметно для LiPos, которые могут заметно надуваться из-за отсутствия жесткого футляра, сдерживающего их расширение.

Для сравнения с клетками LFP по этому вопросу см. Безопасность клеток LiFe.

Литиевые элементы с твердым полимерным электролитом

Элементы с твердыми полимерными электролитами не достигли полной коммерциализации и все еще являются предметом исследований. Прототипы элементов этого типа можно рассматривать как нечто среднее между традиционной литий-ионной батареей (с жидким электролитом) и полностью пластиковой твердотельной литий-ионной батареей .

Самый простой подход - использовать полимерную матрицу, такую как поливинилиденфторид (PVdF) или поли (акрилонитрил) (PAN), загущенную обычными солями и растворителями, такими как LiPF ₆ в EC / DMC / DEC .

Ниши упоминает, что Sony начала исследования литий-ионных элементов с гелеобразными полимерными электролитами (GPE) в 1988 году, до коммерциализации литий-ионных элементов с жидким электролитом в 1991 году. В то время полимерные батареи были многообещающими, и казалось, что полимерные электролиты станут незаменим. В конце концов, этот тип элементов появился на рынке в 1998 году. Однако Скросати утверждает, что в самом строгом смысле гелевые мембраны нельзя классифицировать как «настоящие» полимерные электролиты, а скорее как гибридные системы, в которых жидкие фазы содержатся внутри полимера. матрица. Хотя эти полимерные электролиты могут быть сухими на ощупь, они все же могут содержать от 30% до 50% жидкого растворителя. В связи с этим, как на самом деле определить, что такое «полимерный аккумулятор», остается открытым вопросом.

Другие термины, используемые в литературе для этой системы, включают гибридный полимерный электролит (HPE), где «гибрид» означает комбинацию полимерной матрицы, жидкого растворителя и соли. Именно такую систему Bellcore использовала в 1996 году для разработки первой литий-полимерной ячейки, которая получила название «пластиковый» литий-ионный элемент (PLiON) и впоследствии была коммерциализирована в 1999 году.

Твердый полимерный электролит (ТПЭ) представляет собой раствор соли в полимерной среде, не содержащий растворителей. Это может быть, например, соединение бис (фторсульфонил) имида лития (LiFSI) и высокомолекулярного поли (этиленоксида) (PEO) или высокомолекулярный поли (триметиленкарбонат) (PTMC).

Производительность этих предложенных электролитов обычно измеряется в полу-клеточной конфигурации против электрода металлического лития , что делает систему А « литий-металл » клеток, но она также была испытана с общим литий-ионного катода материал , такой как литий -фосфат железа (LiFePO ₄ ).

Другие попытки разработать ячейку с полимерным электролитом включают использование неорганических ионных жидкостей, таких как тетрафторборат 1-бутил-3-метилимидазолия ([BMIM] BF ₄ ), в качестве пластификатора в микропористой полимерной матрице, такой как сополимер поливинилиденфторида и гексафторпропилена. / поли (метилметакрилат) (ПВДФ-ГФП / ПММА).

Высоковольтные ячейки с добавкой кремний – графен

Новая технология элементная литий-ионная батарея представила кремний - графен добавка , которая помогает сохранить положительный полюс во время разрядки, тем самым увеличивая продолжительность жизни клеток и цикла жизни. Неотъемлемым побочным эффектом при работе литий-ионного элемента с напряжением 3,7 В выше 4,2 В является сокращение срока службы и повышенное внутреннее сопротивление .

Исследования показали, что плохое сохранение емкости и сокращение срока службы литий-ионного элемента экспоненциально увеличивается при заряде выше 4,2 В, в частности, из-за коррозии положительного вывода. Добавка кремний-графен помогает уменьшить коррозию положительного вывода при зарядке до напряжения 4,35 В или более.

Преимущество зарядки при максимальном напряжении 4,35 В заключается в увеличении плотности энергии примерно на 10% по сравнению с зарядкой традиционного элемента 3,7 В того же размера и веса до 4,2 В. Литий-ионные элементы, отмеченные как «высоковольтные». совместимые, при зарядке до 4,35 В, имеют срок службы, сопоставимый со стандартными элементами на 3,7 В. Стандартный аккумулятор 3,7 В никогда не следует заряжать выше 4,2 В, поскольку это может привести к повреждению или возгоранию.

Languages

In other projects