forskellen mellem lithium-ion-og lithiumpolymerbatterier

et lithium-ion-polymer (LiPo) batteri (også kendt som Li-poly, lithium-poly, PLiON og andre navne) er et genopladeligt Li-ion-batteri med en polymerelektrolyt i den flydende elektrolyt, der anvendes i konventionelle Li-ion-batterier. Der findes en række LiPo-kemikalier. Alle bruger en gelpolymer med høj ledningsevne som elektrolytten. LiPos giver højere specifikke energier end andre lithiumbatterier, der ofte bruges i systemer, hvor vægt er en vigtig faktor, såsom mobile enheder, Droner og nogle elektriske køretøjer. Denne ofte stillede spørgsmål begynder med en sammenligning på højt niveau af Li-ion-og LiPo-batterier, efterfulgt af et detaljeret kig på de seks grundlæggende lithiumbatterikemikalier, der er mest egnede til brug i LiPo-batterier. Det lukker med et kig ind i fremtiden og den mulige udvikling af aluminium-luftpolymerbatterier og solid state-batterier.

alle lithiumbatterier indeholder en barriere til at adskille anoden og katoden, samtidig med at ionernes bevægelse mellem elektroderne muliggøres. I en LiPo indeholder polymerseparatoren også elektrolytten. Derudover kan polymerseparatorer give en ekstra funktion, der fungerer som “afbrydelsesseparatorer”, der kan lukke batteriet, hvis det bliver for varmt under opladning eller afladning. Afbrydelsesseparatorer er flerlagsstrukturer med mindst et polyethylenlag, der kan stoppe strømmen, når temperaturen stiger for højt, og mindst et polypropylenlag, der fungerer som en form for mekanisk understøtning til separatoren.

interkalering og dekalering af lithiumioner fra en positiv elektrode og en negativ elektrode. Bortset fra polymerseparatoren fungerer LiPos på samme princip som Li-ioner. Men de er pakket på helt forskellige måder.

Li-ioner leveres normalt i rustfrit stål eller aluminium. Sagen er oftest cylindrisk, men kan være knapformet eller rektangulær (prismatisk). Sagen er relativt dyr at producere og har tendens til at begrænse de størrelser og former, der er tilgængelige. Men det er også robust og hjælper med at beskytte batteriet mod skader. Sagen er forseglet ved hjælp af en lasersvejsningsproces.

Lithium-ion batteri konstruktion er relativt kompliceret med et stort antal komponenter. (Billede: TechSci Research)

LiPos er pakket i en aluminiumsfolie “pose” og kaldes bløde eller poseceller. Posen er for det meste prismatisk og lettere at fremstille og lavere i omkostninger end rustfrit stål eller aluminium tilfælde af Li-ioner. Denne type konstruktion muliggør også produktion af batterier med en række brugerdefinerede konfigurationer. De øvrige komponenter i LiPos inkluderer vaffeltynde lag (< 100 liter), der kan masseproduceres til en relativt lav pris. Udskiftning af folieposen til metallet kan resultere i høj energitæthed og lette batterier. Både store formater og højder på mindre end 1 mm kan opnås, men cellerne kræver omhyggelig mekanisk håndtering.

Lithium polymer batteri pose konstruktion. (Billede: Jauch)

brugen af LiPos er underlagt mange af de samme udfordringer, som brugere af Li-ion skal kæmpe med, herunder overopladning, overafladning, drift over temperatur og interne shorts. Derudover kan knusning eller negleindtrængning af LiPo-poserne resultere i katastrofale fejl, der spænder fra poserbrud til elektrolytlækager og brande.

ligesom Li-ioner kan LiPos ekspandere ved høje niveauer af overopladning på grund af fordampningen af elektrolytten. Fordampning af elektrolytten kan forårsage delaminering, hvilket forårsager dårlige kontakter mellem de indre lag i cellen, hvilket reducerer pålideligheden og cyklusens levetid. Denne udvidelse kan være særlig mærkbar for LiPos, som bogstaveligt talt kan blæse op. Det kan også forårsage strukturelle skader på værtssystemet.

nedenstående tabel sammenligner spændingerne og de typiske anvendelser af de seks grundlæggende lithiumbatterikemikalier. Andre egenskaber ved disse batterier omfatter:

• LCO – 200h/kg, levere en høj effekt, men med afvejning af relativt korte liv, lav effekt ratings, og lav termisk stabilitet.
• LFP – 120H/kg, har lang cykluslevetid og stabilitet ved høje driftstemperaturer.
• LMO – 140vh/kg, katoder er baseret på mangan-oksidkomponenter, der er rigelige, billige, ikke-giftige og giver god termisk stabilitet.
• NCA – 250H/kg, tilbyder høj specifik energi og lang cyklus liv.
• NMC – 200h/kg, der varierer proportionerne af de kemiske bestanddele, tillader udvikling af batterier optimeret som strøm-eller energiceller. På grund af sin fleksibilitet er det en af de mest succesfulde lithium batteri kemiske systemer.
• LTO – 80H/kg, laveste specifikke energi, men kan hurtigt oplades, udledes med op til 10 gange sin nominelle kapacitet og er sikker.

sammenligning af lithium batteri spændinger og applikationer. (Billede: TechSci Research)

Bemærk, at NMC -, LCO-og NCA-batterierne indeholder kobolt, der hjælper med at give højere strømfunktioner. De kan levere store mængder strøm i en lille pakke, men kan være mere modtagelige for termiske begivenheder, der kan forårsage sikkerhedsproblemer.

den næste figur inkluderer edderkopdiagrammer, der sammenligner de grundlæggende typer Li-batterier baseret på deres egnethed til brug i elektriske køretøjer (EV ‘ er). I disse edderkopdiagrammer har batterier, der er bedre egnet til EV ‘ er, et større farvet område. De betragtede faktorer er specifik energi, specifik strøm, sikkerhed, ydeevne, levetid og omkostninger. Specifik energi i vægt / kg vedrører EV-området. Specifik effekt i vægt / kg vedrører EV-acceleration. Især i tilfælde af EVs er sikkerhed en kritisk overvejelse. Ydelsesparameteren afspejler batteriets evne til at blive brugt under ekstreme temperaturforhold, også en vigtig overvejelse i bilapplikationer. Levetid er en kombination af cyklus levetid og levetid. Cost forsøger at registrere alle relaterede omkostninger, herunder hjælpesystemer til termisk styring, sikkerhed, batteristyring og overvågning, og behovet for en udvidet garantiperiode i elbiler.

Præstationssammenligning for forskellige Li-ion-kemikalier, der måler egnethed til brug i elektriske køretøjer. (Billede: MDPI)

LiPo chemistries

en polymerelektrolyt resulterer i flere ydelsesforbedringer, herunder høj energitæthed og lette batterier. Afhængigt af strukturen af polymerlagene kan det også forbedre batterisikkerheden. Sammenlignet med konventionelle Li-ion-batterier kan LiPo-batterier fremstilles med et bredere udvalg af specifikke energitætheder (h/kg) og specifikke effekttætheder (M/kg), hvilket gør LiPo-batterier mere fleksible på tværs af en bredere vifte af potentielle applikationer. Som et resultat bruges LiPo-teknologi på tværs af alle de vigtigste lithiumbatterikemikalier:

• Lithium-koboltbatteri (LCO)
• Lithium-ion-ternært batteri (NCA, NMC)
• lithium-ion-manganbatteri (LMO)
• Lithium-jernphosphatbatteri (LFP)

Ragone plot sammenligne Li-ion, LiPo (PLiON), og andre genopladelige batterier. (Billede: MDPI)

aluminium-luft og faste polymerbatterier

aluminium-luftpolymerbatterier er under aktiv udvikling. Disse design med høj energitæthed har en polymerseparator, der er direkte i kontakt med lithiumanoden for at adskille den fra katoden. Som i andre polymerbatterier forhindrer separatoren batteriet i at kortslutte og absorberer flydende elektrolyt for at understøtte iontransport og fuldføre det elektriske kredsløb.

desværre kan lithiumanoden danne dendritter under battericykling. Disse dendritter kan trænge ind i polymerseparatoren og forkorte batteriet. Modificerede separatorer er under udvikling, der omfatter grafenoksidlag. Graphenoksidet beskytter anoden mod forurening og forhindrer kemiske udsving på overfladen af lithiumanoden. Det er vigtigt at bemærke, at det ikke er muligt at foretage en direkte kontakt mellem elektrolytten og lithiumanoden uden at reducere ionledningsevnen væsentligt. Denne kombinerede struktur bremser elektrolytkorrosion på anoden. Man håber, at brugen af to typer lag til stabilisering af lithiumanoden i fremtiden vil resultere i batterier med meget høj energitæthed med rimelig cykluslevetid.

celler med virkelig faste polymerelektrolytter (SPE) i stedet for nutidens gelerede membraner er også under udvikling. Dagens LiPo-celler betragtes som et ‘hybrid’ system mellem en konventionel Li-ion og et helt solid-state Li-ion batteri. Gelerede membraner er hybridsystemer, hvor væskefaserne er indeholdt i polymermatricen. Mens de kan føle sig tørre at røre ved, kan de indeholde op til 50% flydende opløsningsmidler. Dagens systemer kaldes også hybridpolymer elektrolyt (HPE) systemer, der kombinerer polymermaterialet, det flydende opløsningsmiddel og saltet. SPE ‘ er er under udvikling, der er fuldstændigt opløsningsmiddelfrie systemer i et polymermedium.

den nye faststofstruktur kan også bruge katoder med lav pris og høj specifik energikonverteringstype, der ikke er kompatible med væskebaserede batterikemikalier såsom lithium-ion. Et eksempel er en proprietær sulfid fast elektrolyt, der understøtter silicium og lithiummetal med højt indhold i anoden parret med industristandard og kommercielt modne katoder, herunder lithiumnikkelmangan-koboltoksider (NMC). De nye katoder kan kombineres med lithiummetal for at fjerne kobolt og nikkel og kan reducere katodeaktive materialomkostninger med 90%.

en solid state batteri udvikling køreplan fjerner kobolt og nikkel fra katoden (yderst til højre). (Billede: Solid strøm)

Solid state celler er blevet produceret, leverer 2AH ved hjælp af industristandard lithium-ion udstyr og processer. Kommerciel produktion af en 20AH højindhold silicium anode celle forventes ved udgangen af 2021, med 100AH forventes at følge i 2022.

Resume

LiPos tilbyder flere ydelsesforbedringer sammenlignet med Li-ioner, herunder højere energitæthed og lettere batterier. Derudover kan LiPos produceres i en bredere vifte af former og størrelser. Imidlertid bruger dagens LiPos gelerede membraner, ikke fuldt faste polymerelektrolytter (SPEs). SPE ‘ er er under udvikling og kan udvide Præstationsfordelene ved LiPos i visse applikationer. Aluminium-luftpolymerbatterier giver potentialet for meget høje energitætheder (hvilket resulterer i længere intervaller for EV ‘ er) og gode cykluslevetider. Helt solid state lithium-batterier i stort format er i horisonten til senere i 2021.

nuværende Li-Ion-batteriteknologier i elektriske køretøjer og muligheder for fremskridt, MDPI
forskellige typer lithiumpolymerbatterier, Grepu
Introduktion til Lithiumpolymerbatteriteknologi, Jauch
lithiumpolymerbatteri, Litiumpolymerbatteri
fremstilling af Lithium-ion-batterier, TechSci-Forskning
typer af Lithium-ion, Batteriuniversitet