stringtranslate.com

Литий-полимерный аккумулятор

Литий -полимерный аккумулятор , или правильнее литий-ионный полимерный аккумулятор (сокращенно LiPo , LIP , Li-poly , литий-поли и другие), представляет собой перезаряжаемую батарею литий-ионной технологии , использующую полимерный электролит 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 устройствах, где вес имеет решающее значение, например, в мобильных устройствах , радиоуправляемых самолетах и ​​некоторых электромобилях . [2]

История

Элементы 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 появились другие формы упаковки, в том числе плоский формат мешочка. [3]

Происхождение дизайна и терминология

Литий-полимерные элементы произошли от литий-ионных и литий-металлических батарей . Основное отличие состоит в том, что вместо использования жидкого электролита на основе литиевой соли (например, LiPF 6 ), содержащегося в органическом растворителе (например, EC / DMC / DEC ), в аккумуляторе используется твердый полимерный электролит (SPE), такой как поли(этилен). оксид) (ПЭО), поли(акрилонитрил) (ПАН), поли(метилметакрилат) (ПММА) или поли(винилиденфторид) (ПВДФ).

В 1970-х годах в оригинальной полимерной конструкции использовался твердый сухой полимерный электролит, напоминающий пластиковую пленку, вместо традиционного пористого сепаратора, пропитанного электролитом.

Твердый электролит обычно можно разделить на один из трех типов: сухой ТФЭ, гелеобразный ТФЭ и пористый ТФЭ. Сухой SPE был первым, использованным в прототипах батарей примерно в 1978 году Мишелем Арманом [4] [5] и в 1985 году компаниями ANVAR и Elf ​​Aquitaine во Франции и Hydro-Québec в Канаде. [6] С 1990 года несколько организаций, таких как Mead and Valence в США и GS Yuasa в Японии, разработали батареи с использованием гелеобразных ТФЭ. [6] В 1996 году компания Bellcore в США анонсировала перезаряжаемый литий-полимерный элемент с использованием пористого ТФЭ. [6]

Типичная ячейка состоит из четырех основных компонентов: положительного электрода , отрицательного электрода, сепаратора и электролита . Сам сепаратор может быть полимером , например микропористой пленкой из полиэтилена (ПЭ) или полипропилена (ПП); таким образом, даже если в элементе имеется 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 поли(винилиденфторида). (ПВдФ). [7] [8] Материал отрицательного электрода может состоять из тех же трех частей, только углерод заменяет оксид металлического лития. [7] [8] Основное различие между литий-ионными полимерными элементами и литий-ионными элементами заключается в физической фазе электролита: в LiPo-элементах используются сухие твердые гелеобразные электролиты, тогда как в литий-ионных элементах используются жидкие электролиты.

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 предотвратить прямое соприкосновение электродов друг с другом, между ними расположен микропористый сепаратор, который позволяет только ионам, а не частицам электрода, мигрировать с одной стороны на другую.

Напряжение и уровень заряда

Напряжение одного элемента LiPo зависит от его химического состава и варьируется от примерно 4,2 В (полностью заряженного) до примерно 2,7–3,0 В (полностью разряженного), при этом номинальное напряжение составляет 3,6 или 3,7 В (приблизительно среднее значение самого высокого и самого низкого напряжения). значение) для элементов на основе оксидов металлов лития (таких как LiCoO 2 ). Для сравнения: у батарей на основе литий-железо-фосфата (LiFePO 4 ) от 3,6–3,8 В (заряженных) до 1,8–2,0 В (разряженных) .

Точные номиналы напряжения должны быть указаны в технических характеристиках продукта, при этом подразумевается, что элементы должны быть защищены электронной схемой, которая не позволит им перезаряжаться или переразряжаться при использовании.

Аккумуляторы LiPo с элементами, соединенными последовательно и параллельно, имеют отдельные выводы для каждой ячейки. Специализированное зарядное устройство может контролировать заряд каждой ячейки, чтобы все ячейки были приведены в одинаковое состояние заряда (SOC).

Оказание давления на элементы LiPo

Экспериментальная литий-ионная полимерная батарея, изготовленная 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. Умеренное давление на стопку слоев, составляющих ячейку, приводит к увеличению сохранения емкости, поскольку контакт между компонентами максимизируется и предотвращается расслоение и деформация, что связано с увеличением импеданса и деградацией ячейки. [9] [10]

Приложения

Шестиугольная литий-полимерная батарея для подводных аппаратов.

LiPo-элементы предоставляют производителям неоспоримые преимущества. Они могут легко производить батареи практически любой желаемой формы. Например, можно удовлетворить требования к пространству и весу мобильных устройств и ноутбуков . Также у них низкий показатель саморазряда, который составляет около 5% в месяц. [11]

Дроны, радиоуправляемая техника и самолеты

Трехэлементный LiPo аккумулятор для радиоуправляемых моделей.

Батареи LiPo в настоящее время почти повсеместно используются для питания коммерческих и любительских дронов ( беспилотных летательных аппаратов ), радиоуправляемых самолетов , радиоуправляемых автомобилей и крупномасштабных моделей поездов, где преимущества меньшего веса, увеличенной емкости и мощности оправдывают цену. . Протоколы испытаний предупреждают об опасности возгорания при использовании батарей не в соответствии с инструкциями. [12]

Напряжение для длительного хранения LiPo-батареи, используемой в модели радиоуправления, должно составлять 3,6–3,9 В на элемент, в противном случае это может привести к повреждению батареи. [13]

Аккумуляторы LiPo также широко используются в страйкболе , где их более высокие токи разряда и лучшая плотность энергии по сравнению с более традиционными NiMH батареями дают очень заметный прирост производительности (более высокую скорострельность).

Персональная электроника

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

Электрические транспортные средства

Hyundai Motor Company использует этот тип аккумулятора в некоторых своих аккумуляторных электрических и гибридных автомобилях , [14] а также Kia Motors в своем аккумуляторном электромобиле Kia Soul . [15] В Bolloré Bluecar , который используется в схемах совместного использования автомобилей в нескольких городах, также используется этот тип аккумулятора.

Системы бесперебойного питания

Литий-ионные аккумуляторы становятся все более распространенными в системах бесперебойного питания (ИБП). Они предлагают множество преимуществ по сравнению с традиционными батареями VRLA , а с повышением стабильности и безопасности растет доверие к этой технологии. Соотношение мощности, размера и веса рассматривается как главное преимущество во многих отраслях, требующих критического резервного питания, включая центры обработки данных, где пространство часто ограничено. [16] Более длительный срок службы, полезная энергия (глубина разряда) и тепловой разгон также считаются преимуществом использования литий-полимерных батарей по сравнению с батареями VRLA.

Стартер

Батарея, используемая для запуска двигателя автомобиля, обычно имеет напряжение 12 В или 24 В, поэтому в портативном пусковом устройстве или усилителе аккумуляторной батареи используются три или шесть последовательно соединенных LiPo батарей (3S1P/6S1P) для запуска автомобиля в аварийной ситуации вместо другого устройства для запуска от внешнего источника. методы . Цена на свинцово-кислотные пусковые устройства ниже, но они больше и тяжелее, чем сопоставимые литиевые батареи, поэтому в таких продуктах в основном используются LiPo-батареи или иногда литий-железо-фосфатные батареи.

Безопасность

Литий-ионный аккумулятор Apple iPhone 3GS , расширившийся из-за короткого замыкания

Все литий-ионные элементы расширяются при высоком уровне заряда (SOC) или перезаряде из-за небольшого испарения электролита. Это может привести к расслоению и, следовательно, к плохому контакту внутренних слоев элемента, что, в свою очередь, приводит к снижению надежности и общего срока службы элемента. [9] Это очень заметно для LiPo, которые могут заметно раздуться из-за отсутствия жесткого корпуса, сдерживающего их расширение. Характеристики безопасности литий-полимерных батарей отличаются от характеристик безопасности литий-железо-фосфатных батарей .

Полимерные электролиты

Полимерные электролиты можно разделить на две большие категории: сухие твердые полимерные электролиты (ТПЭ) и гелевые полимерные электролиты (ГПЭ). [17] По сравнению с жидкими электролитами и твердыми органическими электролитами полимерный электролит обладает такими преимуществами, как повышенная устойчивость к изменениям объема электродов во время процессов зарядки и разрядки, а также улучшенные характеристики безопасности. отличная гибкость и технологичность.

Твердый полимерный электролит первоначально определялся как полимерная матрица, набухшая солями лития, которую теперь называют сухим твердым полимерным электролитом. [17] Соли лития растворяются в полимерной матрице для обеспечения ионной проводимости. Из-за его физической фазы происходит плохой перенос ионов, что приводит к плохой проводимости при комнатной температуре. Чтобы улучшить ионную проводимость при комнатной температуре, добавляют гелеобразный электролит, что приводит к образованию ГПЭ. ГПЭ образуются путем включения органического жидкого электролита в полимерную матрицу. Жидкий электролит захвачен небольшим количеством полимерной сетки, поэтому свойства GPE характеризуются свойствами между жидкими и твердыми электролитами. [18] Механизм проводимости аналогичен жидким электролитам и полимерным гелям, но ГПЭ обладают более высокой термической стабильностью и низкой летучестью, что также способствует безопасности. [19]

Схема литий-полимерного аккумулятора на основе ГПЭ [20]

Литиевые элементы с твердым полимерным электролитом

Ячейки с твердыми полимерными электролитами не достигли полной коммерциализации [21] и до сих пор являются предметом исследований. [22] Прототип элементов этого типа можно рассматривать как нечто среднее между традиционной литий-ионной батареей (с жидким электролитом) и полностью пластиковой твердотельной литий-ионной батареей . [23]

Самый простой подход заключается в использовании полимерной матрицы, такой как поливинилиденфторид (ПВДФ) или поли(акрилонитрил) (ПАН), загущенной обычными солями и растворителями, такими как LiPF 6 в EC / DMC / DEC .

Ниши упоминает, что компания Sony начала исследования литий-ионных элементов с гелеобразным полимерным электролитом (GPE) в 1988 году, до коммерциализации литий-ионных элементов с жидким электролитом в 1991 году. [24] В то время полимерные батареи были многообещающими, и казалось, что полимерные батареи электролиты станут незаменимыми. [25] В конце концов, этот тип элементов появился на рынке в 1998 году. [24] Однако Скросати утверждает, что в строгом смысле гелеобразные мембраны нельзя классифицировать как «настоящие» полимерные электролиты, а скорее как гибридные системы, в которых жидкость фазы содержатся внутри полимерной матрицы. [23] Хотя эти полимерные электролиты могут быть сухими на ощупь, они все же могут содержать от 30% до 50% жидкого растворителя. [26] В связи с этим остается открытым вопрос, как на самом деле определить, что такое «полимерная батарея».

Другие термины, используемые в литературе для этой системы, включают гибридный полимерный электролит (HPE), где «гибрид» означает комбинацию полимерной матрицы, жидкого растворителя и соли. [27] Именно такую ​​систему Bellcore использовала для разработки первого литий-полимерного элемента в 1996 году, [28] который назывался «пластиковым» литий-ионным элементом (PLiON) и впоследствии был коммерциализирован в 1999 году. [27]

Твердый полимерный электролит (ТПЭ) представляет собой раствор соли, не содержащий растворителя, в полимерной среде. Это может быть, например, соединение бис(фторсульфонил)имида лития (LiFSI) и высокомолекулярного поли(этиленоксида) (ПЭО), [29] высокомолекулярного поли(триметиленкарбоната) (ПТМК), [30 ] ] полипропиленоксид (ППО), поли[бис(метокси-этокси-этокси)фосфазен] (МЭЭП) и т.д.

ПЭО демонстрирует наиболее многообещающие характеристики в качестве твердого растворителя солей лития, главным образом благодаря его гибким сегментам оксида этилена и другим атомам кислорода, которые имеют сильный донорный характер и легко сольватируют катионы Li + . ПЭО также коммерчески доступен по очень разумной цене. [17]

Производительность этих предлагаемых электролитов обычно измеряется в конфигурации полуэлемента по отношению к электроду из металлического лития , что делает систему « литий-металлическим » элементом, но она также была протестирована с обычным литий-ионным катодным материалом, таким как литий. -фосфат железа (LiFePO 4 ).

Другие попытки создать полимерный электролитный элемент включают использование неорганических ионных жидкостей , таких как тетрафторборат 1-бутил-3-метилимидазолия ([BMIM]BF 4 ), в качестве пластификатора в микропористой полимерной матрице, такой как поли(винилиденфторид-со-гексафторпропилен). /поли(метилметакрилат) (ПВДФ-ГФП/ПММА). [31]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab «Литий-ионный аккумулятор». Институт чистой энергии . Проверено 6 января 2022 г.
  2. ^ Бруно Скросати, К.М. Абрахам, Уолтер А. ван Шалквейк, Юзеф Хассун (редактор), Литиевые батареи: передовые технологии и приложения , John Wiley & Sons, 2013 ISBN 1118615395 , стр. 44 
  3. ^ «Конфигурации литиевых батарей и типы литиевых элементов». Могучий Соник . 25 марта 2021 г. Проверено 14 октября 2021 г.
  4. ^ МБ Арманд; Ж. М. Шабаньо; М. Дюкло (20–22 сентября 1978 г.). «Расширенные рефераты». Второе международное совещание по твердым электролитам . Сент-Эндрюс, Шотландия.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  5. ^ МБ Арманд, Ж. М. Шабаньо и М. Дюкло (1979). «Полиэфиры как твердые электролиты». В П. Вашиште; Дж. Н. Манди и Г. К. Шеной (ред.). Транспорт быстрых ионов в твердых телах. Электроды и электролиты . Издательство Северной Голландии, Амстердам.
  6. ^ abc Мурата, Кадзуо; Изучи, Шуичи; Ёсихиса, Ёэцу (3 января 2000 г.). «Обзор исследований и разработок аккумуляторов с твердым полимерным электролитом». Электрохимика Акта . 45 (8–9): 1501–1508. дои : 10.1016/S0013-4686(99)00365-5.
  7. ^ Аб Язами, Рашид (2009). «Глава 5: Термодинамика электродных материалов для литий-ионных батарей». В Одзаве, Кадзунори (ред.). Литий-ионные аккумуляторные батареи . Wiley-Vch Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN 978-3-527-31983-1.
  8. ^ Аб Нагай, Айсаку (2009). «Глава 6: Применение материалов на основе поливинилиденфторида для литий-ионных батарей». В Ёсио, Масаки; Бродд, Ральф Дж.; Козава, Акия (ред.). Литий-ионные аккумуляторы . Спрингер. Бибкод : 2009liba.book.....Y. дои : 10.1007/978-0-387-34445-4. ISBN 978-0-387-34444-7.
  9. ^ аб Веттер, Дж.; Новак, П.; Вагнер, MR; Вейт, К. (9 сентября 2005 г.). «Механизмы старения литий-ионных аккумуляторов». Журнал источников энергии . 147 (1–2): 269–281. Бибкод : 2005JPS...147..269В. дои : 10.1016/j.jpowsour.2005.01.006.
  10. ^ Каннарелла, Джон; Арнольд, Крейг Б. (1 января 2014 г.). «Эволюция стресса и снижение емкости в ограниченных литий-ионных аккумуляторных элементах». Журнал источников энергии . 245 : 745–751. Бибкод : 2014JPS...245..745C. дои : 10.1016/j.jpowsour.2013.06.165.
  11. ^ «Технология литий-полимерных аккумуляторов» (PDF) . Проверено 14 марта 2016 г.
  12. ↑ Данн, Терри (5 марта 2015 г.). «Руководство по аккумуляторам: основы литий-полимерных аккумуляторов». Протестировано . Уэйлерок Индастриз. Архивировано из оригинала 16 марта 2017 года . Проверено 15 марта 2017 г. Я еще не слышал о LiPo, который загорелся бы во время хранения. Все известные мне происшествия с возгоранием произошли во время зарядки или разрядки аккумулятора. В этих случаях большинство проблем возникало во время зарядки. В таких случаях вина обычно лежит либо на зарядном устройстве, либо на человеке, который его эксплуатирует… но не всегда.
  13. ^ «РУКОВОДСТВО ПО БАТАРЕЕ LIPO» . Проверено 3 сентября 2021 г.
  14. ↑ Браун, Уоррен (3 ноября 2011 г.). «Hyundai Sonata Hybrid 2011: Привет, технологии. Пока, производительность» . Вашингтон Пост . Проверено 25 ноября 2011 г.
  15. ^ «Устойчивое развитие | Глобальный сайт бренда Kia» .
  16. ^ «Литий-ионный или литий-железный: какой наиболее подходит для системы ИБП?».
  17. ^ abc Mater, J (2016). «Полимерные электролиты для литий-полимерных аккумуляторов». Журнал химии материалов А. 4 (26): 10038–10069. doi : 10.1039/C6TA02621D – через Королевское химическое общество.
  18. ^ Чо, Юн-Гё; Хван, Чихён; Чонг, До Соль; Ким, Ён-Су; Сон, Хён Кон (май 2019 г.). «Гелевые полимерные электролиты: гелеобразные/твердые полимерные электролиты, характеризующиеся гелеобразованием или полимеризацией in situ для электрохимических энергетических систем (Adv. Mater. 20/2019)». Передовые материалы . 31 (20): 1970144. Бибкод : 2019AdM....3170144C. дои : 10.1002/adma.201970144 . ISSN  0935-9648.
  19. ^ Наскар, Анвей; Гош, Аркаджит; Рой, Авинава; Чаттопадхай, Кинор; Гош, Маноджит (2022 г.), «Полимерно-керамический композитный электролит для литий-ионных аккумуляторов», Энциклопедия материалов: пластмассы и полимеры , Elsevier, стр. 1031–1039, номер документа : 10.1016/b978-0-12-820352-1.00123- 1, ISBN 9780128232910, S2CID  241881975 , получено 22 ноября 2022 г.
  20. ^ Хоанг Хай, Во Фам; Итак, Сончжун; Хур, Джэхён (1 марта 2021 г.). «Неорганические наполнители в композитных гель-полимерных электролитах для высокопроизводительных литиевых и нелитий-полимерных аккумуляторов». Наноматериалы . 11 (3): 614. дои : 10.3390/nano11030614 . ISSN  2079-4991. ПМК 8001111 . ПМИД  33804462. 
  21. ↑ Блейн, Лоз (27 ноября 2019 г.). «Прорыв в твердотельных батареях может удвоить плотность литий-ионных элементов». Новый Атлас . Гизмаг . Проверено 6 декабря 2019 г.
  22. ^ Ван, Сяоэнь; Чен, Фанфанг; Жирар, Гаэтан, Массачусетс; Чжу, Хайджин; Макфарлейн, Дуглас Р.; Месеррейес, Дэвид; Арманд, Мишель; Хоулетт, Патрик С.; Форсайт, Мария (ноябрь 2019 г.). «Полиионные жидкости в солевых электролитах с координационным литий-ионным транспортом для безопасных батарей». Джоуль . 3 (11): 2687–2702. дои : 10.1016/j.joule.2019.07.008 .
  23. ^ аб Скросати, Бруно (2002). «Глава 8: Литий-полимерные электролиты». В ван Шалквейке, Уолтер А.; Скросати, Бруно (ред.). Достижения в области литий-ионных аккумуляторов . Академическое издательство Клювер. ISBN 0-306-47356-9.
  24. ^ Аб Ёсио, Масаки; Бродд, Ральф Дж.; Козава, Акия, ред. (2009). Литий-ионные аккумуляторы . Спрингер. Бибкод : 2009liba.book.....Y. дои : 10.1007/978-0-387-34445-4. ISBN 978-0-387-34444-7.
  25. ^ Ниси, Ёсио (2002). «Глава 7: Литий-ионные вторичные батареи с гелеобразным полимерным электролитом». В ван Шалквейке, Уолтер А.; Скросати, Бруно (ред.). Достижения в области литий-ионных аккумуляторов . Академическое издательство Клювер. ISBN 0-306-47356-9.
  26. ^ Бродд, Ральф Дж. (2002). «Глава 9: Процессы производства литий-ионных элементов». В ван Шалквейке, Уолтер А.; Скросати, Бруно (ред.). Достижения в области литий-ионных аккумуляторов . Академическое издательство Клувер. ISBN 0-306-47356-9.
  27. ^ аб Тараскон, Жан-Мари ; Арманд, Мишель (2001). «Проблемы и проблемы, с которыми сталкиваются литиевые аккумуляторные батареи». Природа . 414 (6861): 359–367. Бибкод : 2001Natur.414..359T. дои : 10.1038/35104644. PMID  11713543. S2CID  2468398.
  28. ^ Тараскон, Ж.-М. ; Гоздз, А.С.; Шмутц, К.; Шокоохи, Ф.; Уоррен, ПК (июль 1996 г.). «Характеристики пластиковых литий-ионных аккумуляторов Bellcore». Ионика твердого тела . Эльзевир. 86–88 (Часть 1): 49–54. дои : 10.1016/0167-2738(96)00330-X.
  29. ^ Чжан, Хэн; Лю, Чэнъён; Чжэн, Липин (1 июля 2014 г.). «Литий-бис(фторсульфонил)имид/полимерный электролит поли(этиленоксида)». Электрохимика Акта . 133 : 529–538. doi :10.1016/j.electacta.2014.04.099.
  30. ^ Солнце, Бинг; Миндемарк, Йонас; Эдстрем, Кристина ; Бранделл, Дэниел (1 сентября 2014 г.). «Твердые полимерные электролиты на основе поликарбоната для литий-ионных аккумуляторов». Ионика твердого тела . 262 : 738–742. дои : 10.1016/j.ssi.2013.08.014.
  31. ^ Чжай, Вэй; Чжу, Хуа-цзюнь; Ван, Лонг (1 июля 2014 г.). «Исследование смешанного микропористого гелевого полимерного электролита ПВДФ-ГФП/ПММА с ионной жидкостью [BMIM] BF 4 для литий-ионных батарей». Электрохимика Акта . 133 : 623–630. doi :10.1016/j.electacta.2014.04.076.

Внешние ссылки

На Wikimedia Commons есть СМИ, связанные с литий-полимерными батареями .