Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигацииПерейти к поиску
Литий-полимерный аккумулятор
Lipolybattery.jpg
Литий-полимерный аккумулятор, используемый для питания смартфона.
Удельная энергия100–265 Вт · ч / кг (0,36–0,95 МДж / кг) [ необходима ссылка ]
Плотность энергии250–730 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 ,радиоуправляемые самолеты и некоторые электромобили . [1]

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 появились другие формы упаковки, в том числе плоский формат мешочка. [ необходима цитата ]

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 поли (этилен). оксид) (PEO), поли (акрилонитрил) (PAN), полиметилметакрилат (PMMA) или поливинилиденфторид (PVdF).

Твердый электролит обычно можно разделить на три типа: сухой ТФЭ, гелеобразный ТФЭ и пористый ТФЭ. Сухой SPE был первым использован в прототипе батарей, около 1978 по Мишель Арманд , [2] [3] и 1985 Анваром и Elf Aquitaine Франции и Hydro Квебек Канады. [4] С 1990 года несколько организаций, такие как Mead и Valence в США и GS Yuasa в Японии, разработали батареи с использованием гелевых SPE. [4] В 1996 году компания Bellcore в США анонсировала перезаряжаемый литий-полимерный элемент с использованием пористого ТФЭ. [4]

Типичная ячейка состоит из четырех основных компонентов: положительного электрода , отрицательного электрода, сепаратора и электролита . Сам сепаратор может быть полимером , таким как микропористая пленка 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). [5] [6]Материал отрицательного электрода может состоять из тех же трех частей, только с углеродом, заменяющим оксид лития-металла. [5] [6]

Принцип работы

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

Напряжение и состояние заряда

Напряжение одного 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 самого высокого и самого низкого стоимость). 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 перезарядиться или разрядиться во время использования.

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

Давление на клетки 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 радиоуправляемых самолетов . Однако было установлено, что 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 ячейки и деградацией.[7] [8]

Среднее количество циклов

Зарядка / разрядка при 0,5 ° C / 0,5 ° C, остаточная емкость 80% после 500 циклов. [9]

Приложения

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

Элементы LiPo предоставляют производителям неоспоримые преимущества. Они могут легко производить батареи практически любой желаемой формы. Например, могут быть выполнены требования к габаритам и весу мобильных устройств и ноутбуков . Также у них низкий уровень саморазряда, который составляет около 5% в месяц. [10]

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. [11]

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 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 и высокая плотность энергии перевешивает стоимость соображения.

Электромобили

Hyundai Motor Company использует этот тип батареи в некоторых из своих батарей электрических и гибридных транспортных средств , [12] , а также Kia Motors в своей батарее электрического Kia Soul . [13] Bolloré Bluecar , который используется в схемах совместного автомобиля в ряде городов, также использует этот тип батареи.

Системы ИБП

Литий-ионные батареи становятся все более распространенным явлением в системах ИБП . Они обладают многочисленными преимуществами по сравнению с традиционными батареями VRLA, а благодаря улучшениям в стабильности и безопасности доверие к этой технологии растет. Их соотношение мощности к размеру и весу рассматривается как главное преимущество во многих отраслях, где требуется критически важное резервное питание, в том числе в центрах обработки данных, где пространство часто ограничено. [14] Более длительный срок службы, полезная энергия (глубина разряда) и тепловой разгон также рассматриваются как преимущество использования Li-po аккумуляторов по сравнению с аккумуляторами VRLA.

Безопасность

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

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. [7] Это очень заметно для LiPos, который может заметно вздуваться 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 [15] и все еще остаются предметом исследований. [16] Опытные элементы этого типа можно рассматривать как промежуточные между традиционной литий-ионной батареей (с жидким электролитом) и полностью пластиковой твердотельной литий-ионной батареей . [17]

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 (ГПЭ) в 1988 году, до коммерциализации литий-ионных элементов с жидким электролитом в 1991 году. [18] В то время полимерные батареи были многообещающими и казались полимерными. электролиты станут незаменимыми. [19] В конце концов, этот тип ячеек появился на рынке в 1998 году. [18] Однако Скросати утверждает, что в самом строгом смысле гелевые мембраны нельзя классифицировать как «настоящие» полимерные электролиты, а скорее как гибридные системы, в которых жидкость фазы содержатся внутри полимерной матрицы. [17] Хотя эти полимерные электролиты могут быть сухими на ощупь, они все же могут содержать от 30% до 50% жидкого растворителя.[20] 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. [21] Именно такую ​​систему Bellcore использовала для разработки первой литий-полимерной ячейки в 1996 году [22], которая получила название «пластиковый» литий-ионный элемент (PLiON) и впоследствии была коммерциализирована в 1999 году [21].

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) [23] или высокомолекулярный поли (триметиленкарбонат) (PTMC). [24]

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 -железо-фосфат (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). [25]

См. Также

  • Список типов батарей
  • Литий-воздушная батарея
  • Литий-железо-фосфатный аккумулятор
  • Исследования литий-ионных аккумуляторов

Ссылки

  1. ^ Бруно Скросати, К.М. Абрахам, Уолтер А. ван Шалквейк, Джузеф Хассун (редактор), Литиевые батареи: передовые технологии и приложения , John Wiley & Sons, 2013 ISBN  1118615395 , стр. 44
  2. ^ МБ Арман; Ж. М. Чабаньо; М. Дюкло (20–22 сентября 1978 г.). «Расширенные тезисы». Вторая международная встреча по твердым электролитам . Сент-Эндрюс, Шотландия.
  3. ^ MB Armand, JM Chabagno & M. Duclot (1979). «Полиэфиры как твердые электролиты». У П. Вашитшта; Дж. Н. Манди и Г. К. Шеной (ред.). Перенос быстрых ионов в твердых телах. Электроды и электролиты . Издательство Северной Голландии, Амстердам.
  4. ^ a b c Мурата, Кадзуо; Идзути, Шуичи; Ёсихиса, Ёэцу (3 января 2000 г.). «Обзор исследований и разработок батарей с твердым полимерным электролитом». Electrochimica Acta . 45 (8–9): 1501–1508. DOI : 10.1016 / S0013-4686 (99) 00365-5 .
  5. ^ a b 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.
  6. ^ a b Нагай, Айсаку (2009). «Глава 6: Применение материалов на основе поливинилиденфторида для литий-ионных батарей». В Йошио, Масаки; Бродд, Ральф Дж .; Кодзава, Акия (ред.). Литий-ионные аккумуляторы . Springer. DOI : 10.1007 / 978-0-387-34445-4 . ISBN 978-0-387-34444-7.
  7. ^ a b Веттер, Дж .; Novák, P .; Вагнер, MR; Фейт, К. (9 сентября 2005 г.). «Механизмы старения литий-ионных аккумуляторов». Журнал источников энергии . 147 (1–2): 269–281. Bibcode : 2005JPS ... 147..269V . DOI : 10.1016 / j.jpowsour.2005.01.006 .
  8. ^ Каннарелла, Джон; Арнольд, Крейг Б. (1 января 2014 г.). «Развитие стресса и снижение емкости в ограниченных литий-ионных ячейках». Журнал источников энергии . 245 : 745–751. Bibcode : 2014JPS ... 245..745C . DOI : 10.1016 / j.jpowsour.2013.06.165 .
  9. ^ «Остаточная емкость 80% после 500 циклов» (PDF) . п. 9.
  10. ^ «Технология литий-полимерных батарей» (PDF) . Проверено 14 марта 2016 .
  11. Рианна Данн, Терри (5 марта 2015 г.). «Руководство по батареям: основы литий-полимерных батарей» . Проверено . Whalerock Industries . Проверено 15 марта 2017 года . Я еще не слышал о LiPo, который загорелся при хранении. Все известные мне пожары произошли во время зарядки или разрядки аккумулятора. Из этих случаев большинство проблем произошло во время зарядки. В таких случаях ошибка обычно связана либо с зарядным устройством, либо с человеком, который его эксплуатирует… но не всегда.
  12. ^ Браун, Уоррен (3 ноября 2011 г.). «Hyundai Sonata Hybrid 2011 года: Привет, технология. Пока, производительность» . Вашингтон Пост . Проверено 25 ноября 2011 года .
  13. ^ http://www.kia.com/worldwide/about-kia/company/corporate-news-view.aspx?idx=718
  14. ^ https://powercontrol.co.uk/blog/lithium-ion-or-lithium-iron-ups-2/
  15. ^ Блейн, Лоз. «Прорыв в твердотельных аккумуляторах может удвоить плотность литий-ионных элементов» . Новый Атлас . Гизмаг . Проверено 6 декабря 2019 .
  16. ^ Ван, Сяоэн; Чен, Фанфан; Girard, Gaetan MA; Чжу, Хайцзинь; MacFarlane, Douglas R .; Mecerreyes, Дэвид; Арман, Мишель; Хоулетт, Патрик С.; Форсайт, Мария (ноябрь 2019 г.). «Поли (ионные жидкие) s-в-солевые электролиты с координированным литий-ионным транспортом для безопасных аккумуляторов» . Джоуль . 3 (11): 2687–2702. DOI : 10.1016 / j.joule.2019.07.008 . Проверено 6 декабря 2019 .
  17. ^ a b Скросати, Бруно (2002). «Глава 8: Литий-полимерные электролиты». In van Schalkwijk, Walter A .; Скросати, Бруно (ред.). Достижения в литий-ионных батареях . Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-306-47356-9.
  18. ^ a b Ёсио, Масаки; Бродд, Ральф Дж .; Кодзава, Акия, ред. (2009). Литий-ионные аккумуляторы . Springer. DOI : 10.1007 / 978-0-387-34445-4 . ISBN 978-0-387-34444-7.
  19. Перейти ↑ Nishi, Yoshio (2002). «Глава 7: Литий-ионные вторичные батареи с гелеобразными полимерными электролитами». In van Schalkwijk, Walter A .; Скросати, Бруно (ред.). Достижения в литий-ионных батареях . Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-306-47356-9.
  20. ^ Brodd, Ralf J. (2002). «Глава 9: Процессы производства литий-ионных элементов». In van Schalkwijk, Walter A .; Скросати, Бруно (ред.). Достижения в литий-ионных батареях . Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-306-47356-9.
  21. ^ a b Тараскон, Жан-Мари ; Арман, Мишель (2001). «Проблемы и проблемы, с которыми сталкиваются литиевые аккумуляторные батареи». Природа . 414 (6861): 359–367. Bibcode : 2001Natur.414..359T . DOI : 10.1038 / 35104644 . PMID 11713543 . S2CID 2468398 .  
  22. ^ Тараскон, Ж.-М. ; Гоздз, АС; Schmutz, C .; Shokoohi, F .; Уоррен, PC (июль 1996 г.). «Характеристики пластиковых литий-ионных аккумуляторных батарей Bellcore». Ионика твердого тела . Эльзевир. 86–88 (Часть 1): 49–54. DOI : 10.1016 / 0167-2738 (96) 00330-X .
  23. ^ Чжан, Хэн; Лю, Chengyong; Чжэн, Липин (1 июля 2014 г.). «Литий-бис (фторсульфонил) имид / полимерный электролит на основе поли (этиленоксида)». Electrochimica Acta . 133 : 529–538. DOI : 10.1016 / j.electacta.2014.04.099 .
  24. ^ Sun, Bing; 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. DOI : 10.1016 / j.ssi.2013.08.014 .
  25. ^ Чжай, Вэй; Чжу Хуа-цзюнь; Ван, Лонг (1 июля 2014 г.). «Исследование смешанного микропористого гелевого полимерного электролита PVDF-HFP / PMMA, содержащего ионную жидкость [BMIM] BF 4 для литий-ионных аккумуляторов». Electrochimica Acta . 133 : 623–630. DOI : 10.1016 / j.electacta.2014.04.076 .

Внешние ссылки

  • Электропедия по производству литиевых батарей
  • Электропедия о неисправностях литиевых батарей