Der Unterschied zwischen Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien

Eine Lithium-Ionen-Polymer-Batterie (LiPo) (auch bekannt als Li-Poly, Lithium-Poly, PLiON und andere Namen) ist eine wiederaufladbare Li-Ionen-Batterie mit einem Polymerelektrolyten in dem flüssigen Elektrolyten, der in herkömmlichen Li-Ionen-Batterien verwendet wird. Es gibt eine Vielzahl von LiPo-Chemikalien. Alle verwenden ein Gelpolymer mit hoher Leitfähigkeit als Elektrolyt. LiPos liefern höhere spezifische Energien als andere Lithiumbatterien, die häufig in Systemen verwendet werden, in denen das Gewicht ein wichtiger Faktor ist, z. B. in Mobilgeräten, Drohnen und einigen Elektrofahrzeugen. Diese FAQ beginnt mit einem allgemeinen Vergleich von Li-Ionen- und LiPo-Batterien, gefolgt von einem detaillierten Blick auf die sechs grundlegenden Lithium-Batterie-Chemikalien, die am besten für den Einsatz in LiPo-Batterien geeignet sind. Es schließt mit einem Blick in die Zukunft und der möglichen Entwicklung von Aluminium-Luft-Polymer-Batterien und Festkörperbatterien.

Alle Lithiumbatterien verfügen über eine Barriere zur Trennung von Anode und Kathode und ermöglichen gleichzeitig die Bewegung von Ionen zwischen den Elektroden. In einem LiPo enthält der Polymerseparator auch den Elektrolyten. Darüber hinaus können Polymerseparatoren eine zusätzliche Funktion bereitstellen, die als “Abschaltseparatoren” fungiert und die Batterie abschalten kann, wenn sie während des Ladens oder Entladens zu heiß wird. Abschaltseparatoren sind Mehrschichtstrukturen mit mindestens einer Polyethylenschicht, die bei zu hoher Temperatur den Stromfluss stoppen kann, und mindestens einer Polypropylenschicht, die als mechanische Stütze für den Separator dient.

Die Interkalation und Dekalation von Lithiumionen von einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode. Mit Ausnahme des Polymerseparators arbeiten LiPos nach dem gleichen Prinzip wie Li-Ionen. Sie sind jedoch auf ganz unterschiedliche Weise verpackt.

Li-Ionen werden in der Regel in einem Edelstahl- oder Aluminiumgehäuse geliefert. Das Gehäuse ist meistens zylindrisch, kann aber knopfförmig oder rechteckig (prismatisch) sein. Das Gehäuse ist relativ teuer in der Herstellung und neigt dazu, die verfügbaren Größen und Formen einzuschränken. Es ist aber auch robust und hilft, die Batterie vor Beschädigungen zu schützen. Das Gehäuse wird mit einem Laserschweißverfahren versiegelt.

Der Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie ist mit einer großen Anzahl von Komponenten relativ kompliziert. (Bild: TechSci Forschung)

LiPos sind in einem “Beutel” aus Aluminiumfolie verpackt und werden als Weich- oder Beutelzellen bezeichnet. Der Beutel ist meist prismatisch und einfacher herzustellen und kostengünstiger als die Edelstahl- oder Aluminiumgehäuse von Li-Ionen. Diese Art der Konstruktion ermöglicht auch die Herstellung von Batterien mit einer Vielzahl von kundenspezifischen Konfigurationen. Die anderen Komponenten in LiPos umfassen hauchdünne Schichten (< 100 µm), die mit relativ geringen Kosten in Serie hergestellt werden können. Das Ersetzen des Folienbeutels durch das Metall kann zu einer hohen Energiedichte und leichten Batterien führen. Es können sowohl große Formate als auch Höhen von weniger als 1 mm erreicht werden, die Zellen erfordern jedoch eine sorgfältige mechanische Handhabung.

Lithium-polymer-batterie beutel bau. (Bild: Jauch)

Die Verwendung von LiPos unterliegt vielen der gleichen Herausforderungen, mit denen Benutzer von Li-Ionen zu kämpfen haben, einschließlich Überladung, Tiefentladung, Übertemperaturbetrieb und internen Kurzschlüssen. Darüber hinaus kann das Zerkleinern oder Eindringen von Nägeln in die LiPo-Beutel zu katastrophalen Ausfällen führen, die von Beutelbrüchen bis hin zu Elektrolytlecks und Bränden reichen.

Wie Li-Ionen können sich LiPos bei hoher Überladung aufgrund der Verdampfung des Elektrolyten ausdehnen. Die Verdampfung des Elektrolyten kann zu Delaminationen führen, die zu schlechten Kontakten zwischen den inneren Schichten der Zelle führen und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer verringern. Diese Ausdehnung kann sich besonders bei LiPos bemerkbar machen, die sich buchstäblich aufblasen können. Es kann auch strukturelle Schäden am Host-System verursachen.

Die folgende Tabelle vergleicht die Spannungen und typischen Anwendungen der sechs grundlegenden Lithiumbatteriechemikalien. Andere Eigenschaften dieser Batterien umfassen:

• LCO – 200Wh / kg, liefern eine hohe Leistung, aber mit dem Kompromiss von relativ kurzen Leben, niedrigen Nennleistungen und geringer thermischer Stabilität.
• LFP – 120Wh/kg, haben lange Lebensdauer und Stabilität bei hohen Betriebstemperaturen.
• LMO – 140Wh / kg, Kathoden basieren auf Manganoxidkomponenten, die reichlich vorhanden, kostengünstig, ungiftig sind und eine gute thermische Stabilität bieten.
• NCA – 250Wh/kg, bietet hohe spezifische Energie und lange Lebensdauer.
• NMC-200Wh/kg, variation der anteile der chemischen bestandteile ermöglicht die entwicklung von batterien optimiert als power oder energie zellen. Aufgrund seiner Flexibilität ist es eines der erfolgreichsten chemischen Systeme für Lithiumbatterien.
• LTO-80Wh/kg, niedrigste spezifische energie, aber kann schnell aufgeladen, entladen bis zu 10-mal seine nennkapazität, und ist sicher.

Vergleich von lithium-batterie spannungen und anwendungen. (Bild: TechSci Forschung)

Beachten Sie, dass die NMC-, LCO- und NCA-Batterien Kobalt enthalten, das zu einer höheren Leistung beiträgt. Sie können große Energiemengen in einem kleinen Gehäuse bereitstellen, sind jedoch anfälliger für thermische Ereignisse, die Sicherheitsprobleme verursachen können.

Die nächste Abbildung enthält Spinnendiagramme, in denen die Grundtypen von Li-Batterien anhand ihrer Eignung für den Einsatz in Elektrofahrzeugen (EVs) verglichen werden. In diesen Spinnendiagrammen haben Batterien, die besser für Elektrofahrzeuge geeignet sind, eine größere farbige Fläche. Die berücksichtigten Faktoren sind spezifische Energie, spezifische Leistung, Sicherheit, Leistung, Lebensdauer und Kosten. Die spezifische Energie in Wh/kg bezieht sich auf den EV-Bereich. Die spezifische Leistung in W/kg bezieht sich auf die EV-Beschleunigung. Insbesondere bei Elektrofahrzeugen ist die Sicherheit ein kritischer Aspekt. Der Leistungsparameter spiegelt die Fähigkeit der Batterie wider, unter extremen Temperaturbedingungen eingesetzt zu werden, was auch bei Automobilanwendungen eine wichtige Rolle spielt. Lebensdauer ist eine Kombination des Zykluslebens und der Langlebigkeit. Cost versucht, alle damit verbundenen Kosten zu erfassen, einschließlich Zusatzsystemen für Wärmemanagement, Sicherheit, Batteriemanagement und Überwachung sowie der Notwendigkeit einer verlängerten Garantiezeit für Elektrofahrzeuge.

Leistungsvergleich für verschiedene Li-Ionen-Chemikalien zur Messung der Eignung für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. (Bild: MDPI)

LiPo-Chemie

Ein Polymerelektrolyt führt zu mehreren Leistungsverbesserungen, einschließlich hoher Energiedichte und leichter Batterien. Abhängig von der Struktur der Polymerschichten kann es auch die Batteriesicherheit erhöhen. Im Vergleich zu herkömmlichen Li-Ionen-Batterien können LiPo-Batterien mit einem breiteren Bereich spezifischer Energiedichten (Wh / kg) und spezifischer Leistungsdichten (W / kg) hergestellt werden, wodurch LiPo-Batterien für ein breiteres Spektrum potenzieller Anwendungen flexibler werden. Infolgedessen wird die LiPo-Technologie in allen wichtigen Lithiumbatteriechemikalien eingesetzt:

• Lithium-Kobaltoxid-Batterie (LCO)
• Lithium-Ionen-Ternärbatterie (NCA, NMC)
• Lithium-Ionen-Manganoxid-Batterie (LMO)
• Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP)

Ragone vergleicht Li-Ion, LiPo (PLiON) und andere wiederaufladbare Batterien. (Bild: MDPI)

Aluminium-Luft- und Feststoffpolymerbatterien

Aluminium-Luft-Polymerbatterien befinden sich in der aktiven Entwicklung. Diese Designs mit hoher Energiedichte haben einen Polymerseparator, der direkt mit der Lithiumanode in Kontakt steht, um sie von der Kathode zu trennen. Wie bei anderen Polymerbatterien verhindert der Separator einen Kurzschluss der Batterie und absorbiert flüssigen Elektrolyten, um den Ionentransport zu unterstützen und den Stromkreis zu vervollständigen.

Leider kann die Lithiumanode während des Batteriezyklus Dendriten bilden. Diese Dendriten können den Polymerseparator durchdringen und die Batterie verkürzen. Modifizierte Separatoren sind in der Entwicklung, die Graphenoxidschichten enthält. Das Graphenoxid schützt die Anode vor Verunreinigungen und verhindert chemische Schwankungen auf der Oberfläche der Lithiumanode. Das Graphenoxid arbeitet mit der Polymerschicht zusammen, um den direkten Kontakt zwischen dem Elektrolyten und der Lithiumanode zu stoppen, ohne die Ionenleitfähigkeit signifikant zu verringern. Diese kombinierte Struktur verlangsamt die Elektrolytkorrosion an der Anode. Es ist zu hoffen, dass die Verwendung von zwei Arten von Schichten zur Stabilisierung der Lithiumanode in Zukunft zu Batterien mit sehr hoher Energiedichte und angemessenen Lebensdauern führen wird.

Zellen mit echten festen Polymerelektrolyten (SPE) anstelle der heutigen Gelmembranen befinden sich ebenfalls in der Entwicklung. Die heutigen LiPo-Zellen gelten als Hybridsystem zwischen einem herkömmlichen Li-Ion und einem Vollständig Festkörper-Li-Ion-Akku. Gelierte Membranen sind Hybridsysteme, bei denen die flüssigen Phasen in der Polymermatrix enthalten sind. Während sie sich trocken anfühlen können, können sie bis zu 50% flüssige Lösungsmittel enthalten. Heutige Systeme werden auch Hybrid Polymer Electrolyte (HPE) -Systeme genannt, die das Polymermaterial, das flüssige Lösungsmittel und Salz kombinieren. Es werden SPEs entwickelt, die vollständig lösungsmittelfreie Systeme in einem Polymermedium sind.

Die neue Festkörperstruktur kann auch kostengünstige Kathoden mit hoher spezifischer Energieumwandlung verwenden, die nicht mit flüssigkeitsbasierten Batteriechemikalien wie Lithium-Ionen kompatibel sind. Ein Beispiel ist ein proprietärer Sulfid-Festelektrolyt, der Silizium- und Lithiummetall mit hohem Gehalt in der Anode unterstützt, gepaart mit Industriestandard- und kommerziell ausgereiften Kathoden, einschließlich Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC). Die neuen Kathoden können mit Lithiummetall kombiniert werden, um Kobalt und Nickel zu entfernen, und könnten die Kosten für kathodenaktives Material um 90% senken.

Eine Roadmap zur Entwicklung von Festkörperbatterien entfernt Kobalt und Nickel von der Kathode (ganz rechts). (Bild: Solid Power)

Es wurden Festkörperzellen hergestellt, die 2Ah mit Industriestandard-Lithium-Ionen-Geräten und -Prozessen liefern. Die kommerzielle Produktion einer 20-Ah-Siliziumanodenzelle mit hohem Gehalt wird bis Ende 2021 erwartet, 100-Ah sollen 2022 folgen.

Zusammenfassung

LiPos bietet mehrere Leistungsverbesserungen im Vergleich zu Li-Ionen, darunter eine höhere Energiedichte und leichtere Batterien. Darüber hinaus können LiPos in einer größeren Vielfalt von Formen und Größen hergestellt werden. Die heutigen LiPos verwenden jedoch gelierte Membranen, keine vollständig festen Polymerelektrolyte (SPEs). SPEs sind in der Entwicklung und könnten die Leistungsvorteile von LiPos in bestimmten Anwendungen erweitern. Aluminium-Luft-Polymer-Batterien bieten das Potenzial für sehr hohe Energiedichten (was zu längeren Reichweiten für Elektrofahrzeuge führt) und eine gute Lebensdauer. Vollständig Festkörper-Großformat-Lithium-Batterien sind für später im Jahr 2021 am Horizont.

Aktuelle Li-Ionen-Batterietechnologien in Elektrofahrzeugen und Möglichkeiten für Fortschritte, MDPI
Verschiedene Arten von Lithium-Polymer-Batterien, Grepow
Einführung in die Lithium-Polymer-Batterietechnologie, Jauch
Lithium-Polymer-Batterie, Wikipedia
Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien, TechSci Research
Arten von Lithium-Ionen, Batterieuniversität