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]
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]
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.
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 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).
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]
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]
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).
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.
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.
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.
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.
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 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]
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]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )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.