rozdíl mezi lithium-iontovými a lithium-polymerovými bateriemi

lithium-iontová polymerní (LiPo) baterie (známá také jako Li-poly, lithium-poly, PLiON a další názvy) je dobíjecí Li-ion baterie s polymerním elektrolytem v kapalném elektrolytu používaném v konvenčních Li-ion bateriích. Existuje celá řada LiPo chemie k dispozici. Všichni používají jako elektrolyt gelový polymer s vysokou vodivostí. LiPos poskytují vyšší specifické energie než jiné lithiové baterie, často používané v systémech, kde je váha důležitým faktorem, jako jsou mobilní zařízení, drony a některá elektrická vozidla. Tento FAQ začíná porovnáním Li-ion a LiPo baterií na vysoké úrovni, následuje podrobný pohled na šest základních chemií lithiových baterií, které jsou nejvhodnější pro použití v Lipo bateriích. Uzavírá se pohledem do budoucnosti a možným vývojem polymerních baterií z hliníku a vzduchu a polovodičových baterií.

všechny lithiové baterie obsahují bariéru pro oddělení anody a katody a zároveň umožňují pohyb iontů mezi elektrodami. V LiPo obsahuje polymerní separátor také elektrolyt. Kromě toho mohou polymerní separátory poskytovat další funkci působící jako “separátory vypnutí”, které mohou vypnout baterii, pokud se během nabíjení nebo vybíjení příliš zahřeje. Vypínací separátory jsou vícevrstvé struktury s alespoň jednou polyethylenovou vrstvou, která může zastavit proudový tok, když teplota stoupne příliš vysoko, a alespoň jednou polypropylenovou vrstvou, která působí jako forma mechanické podpory separátoru.

interkalace a dekalace lithiových iontů z kladné elektrody a záporné elektrody. Kromě polymerního separátoru fungují LiPos na stejném principu jako li-ionty. Jsou však baleny zcela odlišnými způsoby.

Li-ionty se obvykle dodávají v nerezovém nebo hliníkovém pouzdře. Pouzdro je nejčastěji válcové, ale může být knoflíkové nebo obdélníkové (hranolové). Případ je relativně nákladné vyrábět a má tendenci omezovat velikosti a tvary, které jsou k dispozici. Je však také robustní a pomáhá chránit baterii před poškozením. Pouzdro je utěsněno laserovým svařováním.

konstrukce Lithium-iontových baterií je relativně komplikovaná s velkým počtem komponent. (Obrázek: TechSci Research)

LiPos jsou baleny v “sáčku” z hliníkové fólie a nazývají se měkké nebo váčkové buňky. Pouzdro je většinou hranolové a snadněji se vyrábí a má nižší náklady než pouzdra Li-iontů z nerezové oceli nebo hliníku. Tento typ konstrukce také umožňuje výrobu baterií s řadou vlastních konfigurací. Ostatní složky v Liposu zahrnují tenké vrstvy oplatky (< 100 µm), které lze hromadně vyrábět za relativně nízkou cenu. Nahrazení fóliového sáčku kovem může mít za následek vysokou hustotu energie a lehké baterie. Lze dosáhnout jak velkých formátů, tak výšky menší než 1 mm, ale buňky vyžadují pečlivou mechanickou manipulaci.

Konstrukce pouzdra na Lithium-polymerové baterie. (Obrázek: Jauch)

používání LiPos je předmětem mnoha stejných výzev, s nimiž se uživatelé Li-ion musí potýkat, včetně přebíjení, nadměrného vybíjení, provozu s nadměrnou teplotou a vnitřních šortky. Kromě toho může drcení nebo pronikání nehtů do sáčků LiPo vést k katastrofickým poruchám od prasknutí vaku po úniky elektrolytů a požáry.

stejně jako li-ionty mohou LiPos expandovat při vysokých úrovních přebíjení v důsledku odpařování elektrolytu. Odpařování elektrolytu může způsobit delaminaci, což způsobuje špatné kontakty mezi vnitřními vrstvami článku, což snižuje spolehlivost a životnost cyklu. Tato expanze může být zvláště patrná u LiPos, které se mohou doslova nafouknout. Může také způsobit strukturální poškození hostitelského systému.

níže uvedená tabulka porovnává napětí a typické aplikace šesti základních chemií lithiových baterií. Mezi další vlastnosti těchto baterií patří:

• LCO-200Wh / kg, poskytují vysoký výkon, ale s kompromisem relativně krátkých životů, nízkým výkonem a nízkou tepelnou stabilitou.
• LFP-120Wh / kg, mají dlouhou životnost cyklu a stabilitu při vysokých provozních teplotách.
• LMO – 140Wh/kg, katody jsou založeny na složkách oxidu manganičitého, které jsou bohaté, levné, netoxické a poskytují dobrou tepelnou stabilitu.
• NCA-250Wh / kg, nabízí vysokou měrnou energii a dlouhou životnost cyklu.
• NMC-200Wh / kg, změna poměru chemických složek umožňuje vývoj baterií optimalizovaných jako napájecí nebo energetické články. Díky své flexibilitě je jedním z nejúspěšnějších chemických systémů lithiové baterie.
• LTO-80Wh / kg, nejnižší měrná energie, ale může být rychle nabitá, vybitá až na 10násobek své jmenovité kapacity a je bezpečná.

porovnání napětí a aplikací lithiových baterií. (Obrázek: TechSci Research)

Všimněte si, že baterie NMC, LCO a NCA obsahují kobalt, který pomáhá poskytovat vyšší energetické schopnosti. Mohou poskytnout velké množství energie v malém balení, ale mohou být náchylnější k tepelným událostem, které mohou způsobit bezpečnostní problémy.

následující obrázek obsahuje spider diagramy porovnávající základní typy Li baterií na základě jejich vhodnosti pro použití v elektrických vozidlech (EVs). V těchto pavoučích diagramech mají baterie, které jsou vhodnější pro EV, větší barevnou plochu. Uvažované faktory jsou specifická energie, specifický výkon, bezpečnost, výkon, životnost a náklady. Měrná energie ve Wh / kg se týká rozsahu EV. Měrný výkon ve W / kg se týká EV zrychlení. Zejména v případě EVs je bezpečnost kritickým hlediskem. Parametr výkonu odráží schopnost baterie používat v extrémních teplotních podmínkách, což je také důležité v automobilových aplikacích. Životnost je kombinací životnosti cyklu a dlouhověkosti. Náklady se snaží zachytit všechny související náklady, včetně pomocných systémů pro řízení teploty, bezpečnost, správa baterií, a monitorování, a potřeba prodloužené záruční doby v EVs.

porovnání výkonu pro různé Li-ion chemie měření vhodnosti pro použití v elektrických vozidlech. (Obrázek: MDPI)

LiPo chemistries

polymerní elektrolyt má za následek několik vylepšení výkonu, včetně vysoké hustoty energie a lehkých baterií. V závislosti na struktuře polymerních vrstev může také zvýšit bezpečnost baterie. Ve srovnání s konvenčními Li-ion bateriemi mohou být lipo baterie vyrobeny s širším rozsahem měrných energetických hustot (Wh/kg) a měrných výkonových hustot (W / kg), díky čemuž jsou lipo baterie flexibilnější v širším rozsahu potenciálních aplikací. Výsledkem je, že technologie LiPo se používá ve všech hlavních chemiích lithiových baterií:

• Lithium-kobaltová baterie (LCO)
• Lithium-iontová ternární baterie (NCA, NMC)
• Lithium-iontová baterie z oxidu manganičitého (LMO)
• Lithium-Železná fosfátová baterie (LFP)

Ragone plot porovnávající Li-ion, LiPo (PLiON) a další dobíjecí baterie. (Obrázek: MDPI)

hliník-vzduch a pevné polymerní baterie

hliník-vzduch polymerní baterie jsou v aktivním vývoji. Tyto konstrukce s vysokou hustotou energie mají polymerní separátor přímo kontaktovaný s lithiovou anodou, aby se oddělil od katody. Stejně jako u jiných polymerních baterií oddělovač zabraňuje zkratování baterie a absorbuje kapalný elektrolyt, aby podporoval transport iontů a dokončil elektrický obvod.

bohužel lithiová anoda může při cyklování baterií tvořit dendrity. Tyto dendrity mohou proniknout do polymerního separátoru a zkrátit baterii. Modifikované separátory jsou ve vývoji, který zahrnuje vrstvy oxidu grafenu. Oxid grafenu chrání anodu před kontaminací a zabraňuje chemickým výkyvům na povrchu lithiové anody. Oxid grafenu pracuje společně s polymerní vrstvou, aby zastavil přímý kontakt mezi elektrolytem a lithiovou anodou, aniž by významně snížil vodivost iontů. Tato kombinovaná struktura zpomaluje korozi elektrolytu na anodě. Doufáme, že v budoucnu bude použití dvou typů vrstev ke stabilizaci lithiové anody mít za následek baterie s velmi vysokou hustotou energie s přiměřenou životností cyklu.

buňky se skutečně pevnými polymerními elektrolyty (SPE) místo dnešních gelovaných membrán jsou také ve vývoji. Dnešní LiPo články jsou považovány za “hybridní” systém mezi konvenčním Li-ion a zcela polovodičovou Li-ion baterií. Gelované membrány jsou hybridní systémy, kde jsou kapalné fáze obsaženy v polymerní matrici. I když se mohou cítit suché na dotek, mohou obsahovat až 50% kapalných rozpouštědel. Dnešní systémy se také nazývají hybridní polymerní elektrolytové (HPE) systémy, které kombinují polymerní materiál, kapalné rozpouštědlo a sůl. SPEs jsou ve vývoji, které jsou systémy zcela bez rozpouštědel v polymerním médiu.

nová struktura v pevné fázi může také používat nízkonákladové a vysoce specifické katody typu Konverze energie, které nejsou kompatibilní s chemickými bateriemi na bázi kapaliny, jako je lithium-ion. Jedním z příkladů je proprietární sulfidový pevný elektrolyt, který podporuje vysoký obsah křemíku a lithného kovu v anodě spárované s průmyslovými standardními a komerčně vyspělými katodami, včetně oxidů kobaltu lithného niklu manganu (NMC). Nové katody lze kombinovat s lithiovým kovem, aby se odstranil kobalt a nikl, a mohly by snížit náklady na aktivní materiál katody o 90%.

silniční mapa vývoje baterií v pevné fázi odstraňuje kobalt a nikl z katody (zcela vpravo). (Obrázek: Pevná síla)

byly vyrobeny pevné články, které dodávají 2Ah pomocí průmyslového lithium-iontového zařízení a procesů. Komerční výroba křemíkové anodové buňky s vysokým obsahem 20Ah se očekává do konce roku 2021, přičemž 100Ah by mělo následovat v roce 2022.

shrnutí

LiPos nabízí několik vylepšení výkonu ve srovnání s Li-ionty, včetně vyšší energetické hustoty a lehčích baterií. Kromě toho mohou být LiPos vyráběny v širší paletě tvarů a velikostí. Dnešní LiPos však používají gelované membrány, nikoli plně pevné polymerní elektrolyty (SPEs). SPEs jsou ve vývoji a mohly by rozšířit výkonnostní výhody LiPos v určitých aplikacích. Polymerní baterie z hliníku a vzduchu nabízejí potenciál pro velmi vysoké energetické hustoty (což vede k delším rozsahům pro EV) a dobré životnosti cyklu. Zcela pevné velkoformátové lithiové baterie jsou na obzoru později v roce 2021.

současné technologie Li-Ion baterií v elektrických vozidlech a příležitosti pro pokrok, MDPI
různé typy Lithium-polymerových baterií, Grepow
Úvod do technologie Lithium-polymerových baterií, Jauch
Lithium-polymerová baterie, Wikipedia
výroba Lithium-iontových baterií, výzkum TechSci
typy Lithium-iontových baterií, Univerzita baterií