stringtranslate.com

Литий-полимерный аккумулятор

Литий -полимерная батарея , или, правильнее, литий-ионная полимерная батарея (сокращенно LiPo , LIP , Li-poly , литий-поли и другие), представляет собой перезаряжаемую батарею литий-ионной технологии , использующую полимерный электролит вместо жидкого электролита. Высокопроводящие полутвердые ( гелевые ) полимеры образуют этот электролит. Эти батареи обеспечивают более высокую удельную энергию , чем другие типы литиевых батарей. Они используются в приложениях, где вес имеет решающее значение, таких как мобильные устройства , радиоуправляемые самолеты и некоторые электромобили . [2]

История

Литий-полимерные элементы продолжают историю литий-ионных и литий-металлических элементов, которые подверглись обширным исследованиям в 1980-х годах, достигнув важной вехи с выпуском первой коммерческой цилиндрической литий-ионной ячейки Sony в 1991 году. После этого появились другие формы упаковки, включая формат плоского пакета. [3]

Происхождение дизайна и терминология

Литий-полимерные элементы произошли от литий-ионных и литий-металлических батарей. Основное отличие заключается в том, что вместо использования жидкого электролита на основе литиевой соли (например, гексафторфосфата лития , LiPF6 ) , содержащегося в органическом растворителе (например, EC / DMC / DEC ), в батарее используется твердый полимерный электролит (SPE), такой как полиэтиленгликоль (PEG), полиакрилонитрил (PAN), поли(метилметакрилат) (PMMA) или поли(винилиденфторид) (PVdF).

В 1970-х годах в оригинальной полимерной конструкции использовался твердый сухой полимерный электролит, напоминающий пластиковую пленку, заменивший традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.

Твердый электролит обычно можно разделить на три типа: сухой SPE, гелированный SPE и пористый SPE. Сухой SPE был впервые использован в прототипах батарей примерно в 1978 году Мишелем Арманом [ 4] [5] и в 1985 году ANVAR и Elf ​​Aquitaine из Франции, а также Hydro-Québec из Канады. [6] С 1990 года несколько организаций, таких как Mead and Valence в США и GS Yuasa в Японии, разработали батареи с использованием гелевых SPE. [6] В 1996 году Bellcore в США анонсировала перезаряжаемый литий-полимерный элемент с использованием пористого SPE. [6]

Типичная ячейка состоит из четырех основных компонентов: положительный электрод , отрицательный электрод, сепаратор и электролит . Сам сепаратор может быть полимерным , например, микропористой пленкой полиэтилена (ПЭ) или полипропилена (ПП); таким образом, даже если в ячейке есть жидкий электролит, она все равно будет содержать «полимерный» компонент. В дополнение к этому, положительный электрод можно дополнительно разделить на три части: литий-переходный-металл-оксид (например, LiCoO 2 или LiMn 2 O 4 ), проводящую добавку и полимерное связующее поли(винилиденфторид) (ПВДФ). [7] [8] Материал отрицательного электрода может состоять из тех же трех частей, только с заменой лития-металл-оксида на углерод . [7] [8] Основное различие между литий-ионными полимерными ячейками и литий-ионными ячейками заключается в физической фазе электролита, так что ячейки LiPo используют сухие твердые, гелеобразные электролиты, тогда как ячейки Li-ion используют жидкие электролиты.

Принцип работы

Как и другие литий-ионные элементы, LiPo работают на интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития из положительного электродного материала и отрицательного электродного материала, при этом жидкий электролит обеспечивает проводящую среду. Чтобы предотвратить непосредственное соприкосновение электродов, между ними находится микропористый сепаратор, который позволяет перемещаться с одной стороны на другую только ионам, а не частицам электрода.

Напряжение и состояние заряда

Напряжение одной ячейки LiPo зависит от ее химии и варьируется от примерно 4,2 В (полностью заряженная) до примерно 2,7–3,0 В (полностью разряженная). Номинальное напряжение составляет 3,6 или 3,7 вольт (примерно среднее значение между самым высоким и самым низким значением) для ячеек на основе литий-металл-оксидов (таких как LiCoO 2 ). Это сопоставимо с 3,6–3,8 В (заряженная) и 1,8–2,0 В (разряженная) для ячеек на основе литий-железо-фосфата (LiFePO 4 ).

Точные значения напряжения должны быть указаны в технических характеристиках продукта, при этом необходимо понимать, что элементы должны быть защищены электронной схемой, которая не позволит им чрезмерно заряжаться или разряжаться во время использования.

Аккумуляторные батареи LiPo , в которых ячейки соединены 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).

Приложение давления к литий-полимерным элементам

Экспериментальная литий-ионная полимерная батарея, созданная компанией Lockheed Martin для NASA

В отличие от литий-ионных цилиндрических и призматических ячеек с жестким металлическим корпусом ячейки LiPo имеют гибкий корпус типа фольги (полимерный ламинат ), поэтому они относительно свободны. Умеренное давление на стопку слоев, составляющих ячейку, приводит к увеличению сохранения емкости, поскольку контакт между компонентами максимизируется, а расслоение и деформация предотвращаются, что связано с увеличением импеданса ячейки и ее деградацией. [9] [10]

Приложения

Шестигранная литий-полимерная батарея для подводных аппаратов

Элементы LiPo предоставляют производителям убедительные преимущества. Они могут легко производить батареи практически любой желаемой формы. Например, могут быть удовлетворены требования к пространству и весу мобильных устройств и ноутбуков . Они также имеют низкую скорость саморазряда около 5% в месяц. [11]

Дроны, радиоуправляемое оборудование и самолеты

Трехэлементная LiPo-батарея для радиоуправляемых моделей

Аккумуляторы LiPo теперь почти повсеместно используются для питания коммерческих и любительских дронов ( беспилотных летательных аппаратов ), радиоуправляемых самолетов , радиоуправляемых автомобилей и крупномасштабных моделей поездов, где преимущества меньшего веса и увеличенной емкости и подачи энергии оправдывают цену. Отчеты об испытаниях предупреждают о риске возгорания, если батареи не используются в соответствии с инструкциями. [12]

Напряжение для длительного хранения LiPo-аккумулятора, используемого в модели R/C, должно быть в диапазоне 3,6–3,9 В на ячейку, в противном случае это может привести к повреждению аккумулятора. [13]

Батареи LiPo также широко используются в страйкболе , где их более высокие токи разряда и лучшая плотность энергии, чем у традиционных NiMH- батарей, дают заметный прирост производительности (более высокая скорострельность).

Персональная электроника

Аккумуляторы LiPo широко распространены в мобильных устройствах , внешних аккумуляторах , очень тонких ноутбуках , портативных медиаплеерах , беспроводных контроллерах для игровых консолей, беспроводных периферийных устройствах ПК, электронных сигаретах и ​​других приложениях, где требуются малые форм-факторы. Высокая плотность энергии перевешивает соображения стоимости.

Электромобили

Компания Hyundai Motor Company использует этот тип аккумуляторов в некоторых своих электромобилях и гибридных автомобилях [14] , а Kia Motors — в своем электромобиле Kia Soul . [15] В автомобиле Bolloré Bluecar , который используется в схемах совместного пользования автомобилями в нескольких городах, также используется этот тип аккумуляторов.

Системы бесперебойного питания

Литий-ионные аккумуляторы становятся все более распространенными в системах бесперебойного питания (ИБП). Они предлагают многочисленные преимущества по сравнению с традиционными аккумуляторами VRLA , и с улучшением стабильности и безопасности растет уверенность в этой технологии. Их соотношение мощности к размеру и весу рассматривается как основное преимущество во многих отраслях, требующих критического резервного питания, включая центры обработки данных, где пространство часто имеет большое значение. [16] Более длительный срок службы, полезная энергия (глубина разряда) и тепловой разгон также рассматриваются как преимущество использования аккумуляторов Li-po по сравнению с аккумуляторами VRLA.

Пусковой механизм

Аккумулятор, используемый для запуска двигателя транспортного средства, обычно имеет напряжение 12 В или 24 В, поэтому портативное пусковое устройство или усилитель аккумулятора использует три или шесть последовательно соединенных аккумуляторов LiPo (3S1P/6S1P) для запуска транспортного средства в экстренной ситуации вместо других методов пускового устройства . Цена свинцово-кислотного пускового устройства ниже, но они больше и тяжелее сопоставимых литиевых аккумуляторов. Поэтому такие продукты в основном перешли на аккумуляторы LiPo или иногда на литий-железо-фосфатные аккумуляторы.

Безопасность

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

Все литий-ионные элементы расширяются при высоких уровнях состояния заряда (SOC) или перезаряда из-за небольшого испарения электролита. Это может привести к расслоению и, таким образом, к плохому контакту с внутренними слоями элемента, что в свою очередь снижает надежность и общий срок службы. [9] Это очень заметно для LiPos, которые могут заметно раздуваться из-за отсутствия жесткого корпуса для сдерживания их расширения. Характеристики безопасности литий-полимерных аккумуляторов отличаются от характеристик литий-железо-фосфатных аккумуляторов .

Полимерные электролиты

Полимерные электролиты можно разделить на две большие категории: сухие твердые полимерные электролиты (SPE) и гелевые полимерные электролиты (GPE). [17] По сравнению с жидкими электролитами и твердыми органическими электролитами полимерные электролиты обладают такими преимуществами, как повышенная устойчивость к изменениям объема электродов в процессе заряда и разряда, улучшенные характеристики безопасности, превосходная гибкость и технологичность.

Твердый полимерный электролит изначально определялся как полимерная матрица, набухшая с солями лития, теперь называемая сухим твердым полимерным электролитом. [17] Соли лития растворяются в полимерной матрице для обеспечения ионной проводимости. Из-за своей физической фазы происходит плохой перенос ионов, что приводит к плохой проводимости при комнатной температуре. Для улучшения ионной проводимости при комнатной температуре добавляется гелированный электролит, что приводит к образованию GPE. GPE образуются путем включения органического жидкого электролита в полимерную матрицу. Жидкий электролит захватывается небольшим количеством полимерной сети, поэтому свойства GPE характеризуются свойствами между свойствами жидких и твердых электролитов. [18] Механизм проводимости аналогичен для жидких электролитов и полимерных гелей, но GPE имеют более высокую термическую стабильность и низкую летучесть, что также дополнительно способствует безопасности. [19]

Схема литий-полимерного аккумулятора на основе ГПЭ [20]

Литиевые элементы с твердым полимерным электролитом

Элементы с твердыми полимерными электролитами не были полностью коммерциализированы [21] и все еще являются предметом исследований. [22] Прототипы элементов этого типа можно рассматривать как нечто среднее между традиционным литий-ионным аккумулятором (с жидким электролитом) и полностью пластиковым твердотельным литий-ионным аккумулятором . [23]

Самый простой подход — использовать полимерную матрицу, например, поливинилиденфторид (ПВДФ) или полиакрилонитрил (ПАН), загущенную обычными солями и растворителями, например , LiPF6 в EC / DMC / DEC .

Ниши упоминает, что Sony начала исследования литий-ионных ячеек с гелеобразными полимерными электролитами (GPE) в 1988 году, до коммерциализации литий-ионных ячеек с жидким электролитом в 1991 году. [24] В то время полимерные батареи были многообещающими, и казалось, что полимерные электролиты станут незаменимыми. [25] В конце концов, этот тип ячеек вышел на рынок в 1998 году. [24] Однако Скросати утверждает, что в самом строгом смысле гелеобразные мембраны нельзя классифицировать как «истинные» полимерные электролиты, а скорее как гибридные системы, в которых жидкие фазы содержатся внутри полимерной матрицы. [23] Хотя эти полимерные электролиты могут быть сухими на ощупь, они все равно могут включать от 30% до 50% жидкого растворителя. [26] В этой связи вопрос о том, как определить «полимерную батарею», остается открытым.

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

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

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

Производительность этих предлагаемых электролитов обычно измеряется в конфигурации полуэлемента против электрода из металлического лития , что делает систему « литий-металлической » ячейкой. Тем не менее, она также была протестирована с обычным литий-ионным катодным материалом, таким как литий-железо-фосфат (LiFePO 4 ).

Другие попытки разработать полимерную электролитную ячейку включают использование неорганических ионных жидкостей , таких как тетрафторборат 1-бутил-3-метилимидазолия ([BMIM]BF4 ) , в качестве пластификатора в микропористой полимерной матрице, такой как поли(винилиденфторид-со-гексафторпропилен)/поли(метилметакрилат) (PVDF-HFP/PMMA). [31]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab "Литий-ионная батарея". Clean Energy Institute . Получено 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 ячеек". Power Sonic . 25 марта 2021 г. . Получено 14 октября 2021 г. .
  4. ^ MB Armand; JM Chabagno; M. Duclot (20–22 сентября 1978 г.). «Расширенные тезисы». Второе международное совещание по твердым электролитам . Сент-Эндрюс, Шотландия.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  5. ^ MB Armand, JM Chabagno & M. Duclot (1979). "Полиэфиры как твердые электролиты". В P. Vashitshta; JN Mundy & GK Shenoy (ред.). Быстрый ионный транспорт в твердых телах. Электроды и электролиты . North Holland Publishers, 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. ^ ab Yazami, Rachid (2009). "Глава 5: Термодинамика материалов электродов для литий-ионных аккумуляторов". В Ozawa, Kazunori (ред.). Литий-ионные аккумуляторы . Wiley-Vch Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN 978-3-527-31983-1.
  8. ^ ab Nagai, Aisaku (2009). "Глава 6: Применение материалов на основе поливинилиденфторида для литий-ионных аккумуляторов". В Yoshio, Masaki; Brodd, Ralph J.; Kozawa, Akiya (ред.). Литий-ионные аккумуляторы . Springer. Bibcode : 2009liba.book.....Y. doi : 10.1007/978-0-387-34445-4. ISBN 978-0-387-34444-7.
  9. ^ ab Vetter, J.; Novák, P.; Wagner, MR; Veit, C. (9 сентября 2005 г.). «Механизмы старения литий-ионных аккумуляторов». Journal of Power Sources . 147 (1–2): 269–281. Bibcode :2005JPS...147..269V. doi :10.1016/j.jpowsour.2005.01.006.
  10. ^ Каннарелла, Джон; Арнольд, Крейг Б. (1 января 2014 г.). «Развитие стресса и снижение емкости в ограниченных литий-ионных карманных ячейках». Журнал источников питания . 245 : 745–751. Bibcode : 2014JPS...245..745C. doi : 10.1016/j.jpowsour.2013.06.165.
  11. ^ "Технология литий-полимерных аккумуляторов" (PDF) . Получено 14 марта 2016 г.
  12. ^ Данн, Терри (5 марта 2015 г.). «Руководство по батареям: основы литий-полимерных батарей». Проверено . Whalerock Industries. Архивировано из оригинала 16 марта 2017 г. Получено 15 марта 2017 г. Я еще не слышал о LiPo, который бы загорелся во время хранения. Все известные мне случаи возгорания произошли во время зарядки или разрядки батареи. В этих случаях большинство проблем возникало во время зарядки. В этих случаях вина обычно лежала либо на зарядном устройстве, либо на человеке, который управлял зарядным устройством… но не всегда.
  13. ^ "РУКОВОДСТВО ПО LIPO-АККУМУЛЯТОРАМ ДЛЯ ПОНИМАНИЯ LIPO-АККУМУЛЯТОРОВ" . Получено 3 сентября 2021 г.
  14. ↑ Браун, Уоррен (3 ноября 2011 г.). «Hyundai Sonata Hybrid 2011: Привет, технологии. Пока, производительность». Washington Post . Получено 25 ноября 2011 г.
  15. ^ «Устойчивое развитие | Глобальный сайт бренда Kia».
  16. ^ «Литий-ионные или литий-железные: какие из них лучше всего подходят для системы ИБП?».
  17. ^ abc Mater, J (2016). «Полимерные электролиты для литий-полимерных батарей». Journal of Materials Chemistry A. 4 ( 26): 10038–10069. doi :10.1039/C6TA02621D – через Королевское химическое общество.
  18. ^ Чо, Юн-Гё; Хван, Чихён; Чонг, До Соль; Ким, Ён-Су; Сонг, Хён-Кон (май 2019 г.). «Гелевые полимерные электролиты: гелевые/твердые полимерные электролиты, характеризующиеся гелеобразованием или полимеризацией на месте для электрохимических энергетических систем (Adv. Mater. 20/2019)». Advanced Materials . 31 (20): 1970144. Bibcode :2019AdM....3170144C. doi : 10.1002/adma.201970144 . ISSN  0935-9648.
  19. ^ Наскар, Анвэй; Гош, Аркаджит; Рой, Авинава; Чаттопадхай, Киннор; Гош, Маноджит (2022), «Полимерно-керамический композитный электролит для литий-ионных аккумуляторов», Энциклопедия материалов: пластмассы и полимеры , Elsevier, стр. 1031–1039, doi :10.1016/b978-0-12-820352-1.00123-1, ISBN 9780128232910, S2CID  241881975 , получено 22 ноября 2022 г.
  20. ^ Хоанг Хуэй, Во Фам; Со, Сонджун; Хур, Джэхён (1 марта 2021 г.). «Неорганические наполнители в композитных гелевых полимерных электролитах для высокопроизводительных литиевых и нелитиевых полимерных батарей». Наноматериалы . 11 (3): 614. doi : 10.3390/nano11030614 . ISSN  2079-4991. PMC 8001111. PMID  33804462 . 
  21. ^ Блейн, Лоз (27 ноября 2019 г.). «Прорыв в области твердотельных аккумуляторов может удвоить плотность литий-ионных ячеек». New Atlas . Gizmag . Получено 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 Клувер. 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. ^ Ниши, Ёсио (2002). "Глава 7: Литий-ионные вторичные батареи с гелеобразными полимерными электролитами". В ван Шалквейк, Вальтер А.; Скросати, Бруно (ред.). Достижения в области литий-ионных батарей . Kluwer Academic Publishers. 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. ^ ab Tarascon, Jean-Marie ; Armand, Michele (2001). «Проблемы и трудности, с которыми сталкиваются перезаряжаемые литиевые батареи». Nature . 414 (6861): 359–367. Bibcode :2001Natur.414..359T. doi :10.1038/35104644. PMID  11713543. S2CID  2468398.
  28. ^ Tarascon, J.-M. ; Gozdz, AS; Schmutz, C.; Shokoohi, F.; Warren, PC (июль 1996 г.). «Характеристики пластиковых перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов Bellcore». Solid State Ionics . 86–88 (часть 1). Elsevier: 49–54. doi :10.1016/0167-2738(96)00330-X.
  29. ^ Чжан, Хэн; Лю, Чэнъюн; Чжэн, Липин (1 июля 2014 г.). «Литий бис(фторсульфонил)имид/поли(этиленоксид) полимерный электролит». Electrochimica Acta . 133 : 529–538. doi :10.1016/j.electacta.2014.04.099.
  30. ^ Сан, Бинг; Миндемарк, Йонас; Эдстрём, Кристина ; Бранделл, Дэниел (1 сентября 2014 г.). «Твердые полимерные электролиты на основе поликарбоната для литий-ионных аккумуляторов». Solid State Ionics . 262 : 738–742. doi :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 PVDF-HFP/PMMA с включением ионной жидкости [BMIM]BF 4 для литий-ионных аккумуляторов». Electrochimica Acta . 133 : 623–630. doi :10.1016/j.electacta.2014.04.076.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Литий-полимерные аккумуляторы .