litium-ioni-ja litiumpolymeeriakkujen ero

litiumionipolymeeriakku (LiPo) (tunnetaan myös nimillä Li-poly, litium-poly, PLiON ja muilla nimillä) on ladattava Li-ioniakku, jossa on perinteisissä Li-ion-akuissa käytettävässä nestemäisessä elektrolyytissä polymeerielektrolyytti. On olemassa erilaisia LiPo kemiaa saatavilla. Kaikki käyttävät elektrolyyttinä korkeaa johtavuusgeelipolymeeriä. Lipot tarjoavat korkeampia ominaisenergioita kuin muut litiumakut, joita käytetään usein järjestelmissä, joissa paino on tärkeä tekijä, kuten mobiililaitteissa, lennokeissa ja joissakin sähköautoissa. Tämä UKK alkaa korkean tason vertailulla Li-ion-ja LiPo-akuista, minkä jälkeen tarkastellaan yksityiskohtaisesti kuutta litiumpariston peruskemikaalia, jotka soveltuvat parhaiten käytettäväksi LiPo-akuissa. Se päättyy katsoa tulevaisuuteen ja mahdollista kehitystä alumiini-ilma polymeeri paristot ja solid-state paristot.

kaikki Litiumparistot sisältävät esteen, joka erottaa anodin ja katodin ja mahdollistaa samalla ionien liikkeen elektrodien välillä. Lipossa polymeerierotin sisältää myös elektrolyytin. Lisäksi polymeerierottimet voivat tarjota lisätoiminnon, joka toimii “sammutuserottimina”, jotka voivat sammuttaa akun, jos se kuumenee liikaa latauksen tai purkamisen aikana. Sammutuserottimet ovat monikerroksisia rakenteita, joissa on vähintään yksi polyeteenikerros, joka voi pysäyttää virran virtauksen lämpötilan noustessa liian korkeaksi, ja vähintään yksi polypropeenikerros, joka toimii erottimen mekaanisena tukena.

litiumionien interkalointi ja dekalointi positiiviselta elektrodilta ja negatiiviselta elektrodilta. Polymeerierotinta lukuun ottamatta Lipot toimivat samalla periaatteella kuin Li-ionit. Ne on kuitenkin pakattu aivan eri tavoin.

Li-ionit toimitetaan yleensä ruostumattomasta teräksestä tai alumiinikotelossa. Kotelo on useimmiten lieriömäinen, mutta voi olla napinmuotoinen tai suorakulmainen (prismaattinen). Tapaus on suhteellisen kallista tuottaa ja pyrkii rajoittamaan kokoja ja muotoja, jotka ovat saatavilla. Mutta se on myös kestävä, auttaa suojaamaan akkua vaurioilta. Kotelo sinetöidään laserhitsausprosessilla.

litiumioniakkujen rakenne on suhteellisen monimutkainen suurella määrällä komponentteja. (Kuva: TechSci Research)

Lipot on pakattu alumiinifolioon “pussiin” ja niitä kutsutaan pehmeiksi tai pussisoluiksi. Pussi on useimmiten prismaattinen ja helpompi valmistaa, ja edullisempia kuin Li-ionien ruostumattomasta teräksestä tai alumiinista valmistetut kotelot. Tämäntyyppinen rakenne mahdollistaa myös paristojen tuotannon erilaisilla mukautetuilla kokoonpanoilla. Muita lipoksen komponentteja ovat kiekkojen ohutkerrokset (< 100 µm), jotka voidaan massatuotantoon suhteellisen alhaisin kustannuksin. Foliopussin korvaaminen metallille voi johtaa korkeaan energiatiheyteen ja kevyisiin akkuihin. Sekä suuria formaatteja että alle 1 mm: n korkeuksia voidaan saavuttaa, mutta kennot vaativat huolellista mekaanista käsittelyä.

litium polymeeri akku pussi rakentaminen. (Kuva: Jauch)

Lipon käyttö on alttiina monille samoille haasteille, joita li-ionin käyttäjien on kohdattava, kuten ylilataukselle, ylilataukselle, ylilämpökäytölle ja sisäsortsien käytölle. Lisäksi Lipo-pussien murskaaminen tai kynsien tunkeutuminen voi johtaa katastrofaalisiin epäonnistumisiin aina pussin repeämistä elektrolyyttivuotoihin ja tulipaloihin.

kuten Li-ionit, Lipot voivat laajentua elektrolyytin höyrystymisen vuoksi suurilla ylilatausasteilla. Elektrolyytin höyrystyminen voi aiheuttaa delaminaatiota, mikä aiheuttaa huonoja kontakteja solun sisäisten kerrosten välille, mikä vähentää luotettavuutta ja elinkaarta. Tämä laajennus voi olla erityisen havaittavissa LiPos, joka voi kirjaimellisesti paisua. Se voi myös aiheuttaa rakenteellisia vaurioita isäntäjärjestelmään.

alla olevassa taulukossa verrataan kuuden litiumpariston peruskememian jännitteitä ja Tyypillisiä käyttökohteita. Muita näiden paristojen ominaisuuksia ovat:

• LCO-200wh / kg, antaa suuren tehon, mutta suhteellisen lyhyen käyttöiän, alhaisen teholuokituksen ja alhaisen lämpöstabiilisuuden ansiosta.
• LFP-120wh / kg, joiden käyttöikä on pitkä ja stabiilisuus korkeissa käyttölämpötiloissa.
• LMO-140wh / kg katodit perustuvat mangaanioksidikomponentteihin, jotka ovat runsaita, edullisia, myrkyttömiä ja tarjoavat hyvän lämpöstabiilisuuden.
• NCA-250wh / kg, tarjoaa korkean ominaisenergian ja pitkän käyttöiän.
• NMC-200wh/kg kemiallisten aineosien osuuksien vaihtelu mahdollistaa teho-tai energiakennoiksi optimoitujen akkujen kehittämisen. Joustavuutensa ansiosta se on yksi menestyksekkäimmistä litiumparistojen kemiallisista järjestelmistä.
• LTO-80Wh / kg, pienin ominaisenergia, mutta se voidaan ladata nopeasti, purkaa jopa 10-kertaisella nimelliskapasiteetilla ja se on turvallinen.

litiumpariston jännitteiden ja sovellusten Vertailu. (Kuva: TechSci Research)

huomaa, että NMC -, LCO-ja NCA-akut sisältävät kobolttia, joka auttaa tarjoamaan korkeamman tehon ominaisuuksia. Ne voivat tarjota suuria määriä virtaa pienessä paketissa, mutta ne voivat olla alttiimpia lämpöilmiöille, jotka voivat aiheuttaa turvallisuusongelmia.

seuraavassa kuviossa on hämähäkkikaaviot, joissa verrataan Li-akkujen perustyyppejä niiden soveltuvuuden perusteella sähköautoihin (EVs). Näissä hämähäkkikaavioissa paristoilla, jotka soveltuvat paremmin EVs: ään, on suurempi värillinen alue. Huomioon otettavia tekijöitä ovat ominaisenergia, ominaisvoima, turvallisuus, suorituskyky, elinikä ja kustannukset. Ominaisenergia Wh / kg liittyy EV-vaihteluväliin. Ominaisvoimakkuus W / kg liittyy EV-kiihtyvyyteen. Erityisesti EVs: n tapauksessa turvallisuus on kriittinen näkökohta. Suorituskykyparametri heijastaa akun kykyä käyttää äärimmäisissä lämpötiloissa, mikä on myös tärkeä näkökohta autoteollisuuden sovelluksissa. Elinikä on yhdistelmä elinkaaren ja pitkäikäisyyden. Cost pyrkii kirjaamaan kaikki asiaan liittyvät kustannukset, mukaan lukien oheisjärjestelmät lämmönhallintaan, turvallisuuteen, akkujen hallintaan ja valvontaan sekä laajennetun takuuajan tarpeen EVs: ssä.

Suorituskykyvertailu erilaisiin Li-ion-kemisteihin, jotka mittaavat soveltuvuutta sähköajoneuvojen käyttöön. (Kuva: MDPI)

LiPo-kemikaalit

polymeerielektrolyytti saa aikaan useita suorituskyvyn parannuksia, kuten korkean energiatiheyden ja kevyet akut. Polymeerikerrosten rakenteesta riippuen se voi myös parantaa akun turvallisuutta. Perinteisiin Li-ion-akkuihin verrattuna LiPo-akut voidaan valmistaa laajemmilla ominaisenergiatiheyksillä (Wh/kg) ja ominaisenergiatiheyksillä (W/kg), mikä tekee LiPo-akuista joustavampia laajemmissa mahdollisissa sovelluksissa. Tämän seurauksena LiPo-teknologiaa käytetään kaikissa tärkeimmissä litiumakkukemisteissä:

• Litiumkobolttioksidiakku (LCO)
• Litiumioniternaariakku (NCA, NMC)
• Litiumionimangaanioksidiakku (lmo)
• Litiumrautafosfaattiakku (LFP)

Ragone juoni vertaamalla Li-ion, LiPo (PLiON), ja muut ladattavat akut. (Kuva: MDPI)

Alumiini-ilma-ja kiinteäpolymeeriparistot

Alumiini-ilma-polymeeriparistot ovat aktiivisen kehityksen alla. Näissä korkean energiatiheyden malleissa on polymeerierotin, joka on suoraan yhteydessä litiumanodiin erottaakseen sen katodista. Kuten muissakin polymeeriparistoissa, erotin estää akun oikosulun ja absorboi nestemäisen elektrolyytin tukemaan ionin kuljetusta ja täydentämään virtapiiriä.

valitettavasti litiumanodi voi muodostaa dendriittejä akun kierron aikana. Nämä dendriitit läpäisevät polymeerierottimen ja lyhentävät akkua. Kehitteillä on modifioituja erottimia, jotka sisältävät grafeenioksidikerroksia. Grafeenioksidi suojaa anodia kontaminaatioilta ja estää kemiallisia heilahteluja litiumanodin pinnalla. Grafeenioksidi toimii yhdessä polymeerikerroksen kanssa estäen suoran kosketuksen elektrolyytin ja litiumanodin välillä vähentämättä merkittävästi ioninjohtavuutta. Tämä yhdistetty rakenne hidastaa elektrolyyttikorroosiota anodilla. Toivotaan, että tulevaisuudessa kahdentyyppisten kerrosten käyttö litiumanodin vakauttamiseksi johtaa erittäin korkeaan energiatiheyteen akkuihin, joiden elinkaari on kohtuullinen.

kehitteillä on myös kennoja, joissa on todella kiinteitä polymeerielektrolyyttejä (SPE) nykyisten hyytelöityjen kalvojen sijasta. Nykyisiä LiPo-soluja pidetään “hybridijärjestelmänä” perinteisen Li-ioni-akun ja täysin kiinteän olomuodon Li-ioni-akun välillä. Geelikalvot ovat hybridijärjestelmiä, joissa nestefaasit ovat polymeerimatriisin sisällä. Vaikka ne voivat tuntua kuivilta kosketuksesta, ne voivat sisältää jopa 50% nestemäisiä liuottimia. Nykypäivän järjestelmiä kutsutaan myös hybridi polymeeri elektrolyytti (HPE) järjestelmiä, jotka yhdistävät polymeerimateriaali, nestemäinen liuotin, ja suola. Kehitteillä on SPEs-järjestelmiä, jotka ovat täysin liuotinvapaita järjestelmiä polymeeriväliaineessa.

uudessa solid-state-rakenteessa voidaan käyttää myös edullisia ja korkean ominaisenergian muunnostyyppisiä katodeja, jotka eivät ole yhteensopivia nestepohjaisten akkukemikaalien kuten litiumionin kanssa. Yksi esimerkki on oma sulfidikiinteä elektrolyytti, joka tukee korkean pitoisuuden piitä ja litiummetallia anodissa yhdistettynä alan standardeihin ja kaupallisesti kypsiin katodeihin, mukaan lukien litiumnikkeli-mangaanikobolttioksidit (NMC). Uudet katodit voidaan yhdistää litiummetalliin koboltin ja nikkelin poistamiseksi ja ne voivat alentaa katodien aktiivisen materiaalin kustannuksia 90%.

solid-state battery development tiekartta poistaa koboltin ja nikkelin katodilta (äärioikeisto). (Kuva: Solid Power)

Solid-state cells on tuotettu, tuottaa 2AH käyttäen alan standardi litium-ioni laitteet ja prosessit. Kaupallista tuotantoa 20Ah korkea-pitoisuus pii anodikenno odotetaan loppuun mennessä 2021, ja 100Ah odotetaan seuraavan vuonna 2022.

Yhteenveto

LiPos tarjoaa Li-ioneihin verrattuna useita suorituskykyparannuksia, kuten korkeamman energiatiheyden ja kevyemmät akut. Lisäksi Lipoja voidaan valmistaa useampina eri muotoisina ja-kokoisina. Nykypäivän Lipoissa käytetään kuitenkin geelimäisiä kalvoja, ei täysin kiinteitä polymeerielektrolyyttejä (SPEs). SPEs on kehitteillä ja voisi laajentaa suorituskykyä etuja LiPos tietyissä sovelluksissa. Alumiini-ilma-polymeeriparistot tarjoavat mahdollisuuden erittäin korkeaan energiatiheyteen (jolloin EVs: n kantamat pitenevät) ja hyvään kiertoikään. Täysin kiinteän olomuodon suurikokoiset litiumakut ovat näköpiirissä myöhemmin vuonna 2021.

Current Li-Ion Battery Technologies in Electric Vehicles and Opportunities for Advancements, MDPI
Different types of litium Polymer batteries, Grepow
Introduction to litium Polymer Battery Technology, Jauch
litium polymer battery, Wikipedia
Manufacturing litium-ion Batteries, TechSci Research
Types of litium-ion, Battery University