a különbség a lítium-ion és a lítium-polimer akkumulátorok között

a lítium-ion polimer (LiPo) akkumulátor (más néven Li-poly, lítium-poly, PLiON és más nevek) egy újratölthető Li-ion akkumulátor, amelynek polimer elektrolitja van a hagyományos Li-ion akkumulátorokban használt folyékony elektrolitban. Különböző LiPo vegyszerek állnak rendelkezésre. Mindegyik nagy vezetőképességű gélpolimert használ elektrolitként. A LiPos nagyobb fajlagos energiát biztosít, mint más lítium akkumulátorok, gyakran olyan rendszerekben használják, ahol a súly fontos tényező, például mobil eszközök, Drónok és néhány elektromos jármű. Ez a GYIK A Li-ion és a LiPo akkumulátorok magas szintű összehasonlításával kezdődik, majd részletesen áttekinti a LiPo akkumulátorokban leginkább használható hat alapvető lítium akkumulátor vegyszert. Lezárul a jövőbe és az alumínium-levegő polimer akkumulátorok és a szilárdtest akkumulátorok lehetséges fejlesztésébe.

minden lítium elem tartalmaz egy akadályt az anód és a katód elválasztására, miközben lehetővé teszi az ionok mozgását az elektródák között. Egy Lipóban a polimer szeparátor az elektrolitot is tartalmazza. Ezenkívül a polimer szeparátorok egy további funkciót is elláthatnak, amely “leállító szeparátorként” működik, amely leállíthatja az akkumulátort, ha töltés vagy kisütés közben túl meleg lesz. A leállítási szeparátorok olyan többrétegű szerkezetek, amelyek legalább egy polietilén réteggel rendelkeznek, amely megállíthatja az áramáramlást, ha a hőmérséklet túl magasra emelkedik, és legalább egy polipropilén réteg, amely a szeparátor mechanikai támaszaként működik.

lítiumionok interkalációja és dekalálása pozitív és negatív elektródából. A polimer szeparátor kivételével a Lipók ugyanazon az elven működnek, mint a Li-ionok. Ezek azonban teljesen különböző módon vannak csomagolva.

a Li-ionokat általában rozsdamentes acél vagy alumínium tokban szállítják. A tok leggyakrabban hengeres, de lehet gomb alakú vagy téglalap alakú (prizmás). A tok előállítása viszonylag költséges, és korlátozza a rendelkezésre álló méreteket és formákat. De robusztus is, segít megvédeni az akkumulátort a sérülésektől. A tokot lézeres hegesztési eljárással lezárják.

a lítium-ion akkumulátor felépítése viszonylag bonyolult, számos alkatrész mellett. (Kép: TechSci Research)

a Lipókat alumíniumfólia “tasakba” csomagolják, puha vagy tasak sejteknek nevezik. A tasak többnyire prizmatikus és könnyebben előállítható, és alacsonyabb költséggel rendelkezik, mint a Li-ionok rozsdamentes acél vagy alumínium tokjai. Ez a fajta konstrukció lehetővé teszi az akkumulátorok gyártását is, különféle egyedi konfigurációkkal. A LiPos egyéb komponensei közé tartoznak az ostya-vékony rétegek (< 100 Ft), amelyek viszonylag alacsony költséggel tömegesen előállíthatók. A fóliatasak fémre cserélése nagy energiasűrűséget és könnyű akkumulátorokat eredményezhet. Mind a nagy formátumok, mind az 1 mm-nél kisebb magasságok elérhetők, de a cellák gondos mechanikai kezelést igényelnek.

lítium-polimer akkumulátor tok építése. (Kép: Jauch)

a LiPos használata ugyanazoknak a kihívásoknak van kitéve, amelyekkel a Li-ion felhasználóinak meg kell küzdeniük, beleértve a túltöltést, a túl kisütést, a túlmelegedést és a belső rövidnadrágot. Ezen túlmenően, zúzás vagy köröm penetráció a LiPo tasakok vezethet katasztrofális hibák kezdve tasak törések elektrolit szivárgás és tűz.

a Li-ionokhoz hasonlóan a Lipók az elektrolit párolgása miatt nagy túltöltés mellett tágulhatnak. Az elektrolit párolgása rétegződést okozhat, ami rossz érintkezést okoz a sejt belső rétegei között, csökkentve a megbízhatóságot és a ciklus élettartamát. Ez a terjeszkedés különösen észrevehető a LiPos esetében, amely szó szerint felfújhat. Szerkezeti károkat is okozhat a gazdarendszerben.

az alábbi táblázat összehasonlítja a hat alapvető lítium akkumulátor kémiai feszültségeit és tipikus alkalmazásait. Ezen elemek egyéb jellemzői a következők:

• LCO – 200WH/kg, nagy teljesítményt nyújt, de viszonylag rövid élettartammal, alacsony teljesítményértékeléssel és alacsony hőstabilitással.
• LFP-120wh / kg, hosszú ciklus élettartama és stabilitása magas üzemi hőmérsékleten.
• LMO-140wh / kg, a katódok mangán-oxid komponenseken alapulnak, amelyek bőségesek, olcsók, nem mérgezőek és jó hőstabilitást biztosítanak.
• NCA-250wh / kg, magas fajlagos energiát és hosszú ciklusú élettartamot kínál.
• NMC – 200WH/kg, változó arányban a kémiai összetevők lehetővé teszi a fejlesztési akkumulátorok Optimalizált teljesítmény vagy energia sejtek. Rugalmassága miatt az egyik legsikeresebb lítium akkumulátor kémiai rendszer.
• LTO-80Wh / kg, a legalacsonyabb fajlagos energia, de gyorsan feltölthető, névleges kapacitásának akár 10-szeresére is lemerülhet, és biztonságos.

lítium akkumulátor feszültségek és alkalmazások összehasonlítása. (Kép: Techsci Research)

vegye figyelembe, hogy az NMC, az LCO és az NCA akkumulátorok kobaltot tartalmaznak, ami segít a nagyobb teljesítmény elérésében. Nagy mennyiségű energiát tudnak biztosítani egy kis csomagban, de érzékenyebbek lehetnek olyan termikus eseményekre, amelyek biztonsági problémákat okozhatnak.

a következő ábra spider-diagramokat tartalmaz, amelyek összehasonlítják a Li akkumulátorok alapvető típusait az elektromos járművekben való használatra való alkalmasságuk alapján. Ezekben a pókdiagramokban az EV-k számára jobban megfelelő akkumulátorok nagyobb színes területtel rendelkeznek. A figyelembe vett tényezők a fajlagos energia, a fajlagos teljesítmény, a biztonság, a teljesítmény, az élettartam és a költség. A WH/kg-ban kifejezett fajlagos energia az EV tartományra vonatkozik. A W/kg-ban kifejezett fajlagos teljesítmény az EV gyorsulásra vonatkozik. Különösen az elektromos járművek esetében a biztonság kritikus szempont. A teljesítményparaméter tükrözi az akkumulátor azon képességét, hogy szélsőséges hőmérsékleti körülmények között is használható legyen, ami szintén fontos szempont az autóipari alkalmazásokban. Az élettartam a ciklusidő és a hosszú élettartam kombinációja. Cost megkísérli megragadni az összes kapcsolódó költséget, beleértve a kapcsolódó rendszereket a hőkezeléshez, a biztonsághoz, az akkumulátorkezeléshez és a monitorozáshoz, valamint az elektromos járművekre vonatkozó kiterjesztett garanciaidő szükségességét.

teljesítmény-összehasonlítás az elektromos járművekben való használatra való alkalmasságot mérő különböző Li-ion vegyszerek esetében. (Kép: MDPI)

LiPo chemistries

a polimer elektrolit számos teljesítménynövelést eredményez, beleértve a nagy energiasűrűséget és a könnyű akkumulátorokat. A polimer rétegek szerkezetétől függően javíthatja az akkumulátor biztonságát is. A hagyományos Li-ion akkumulátorokkal összehasonlítva a LiPo akkumulátorok a fajlagos energiasűrűségek (Wh/kg) és a fajlagos teljesítménysűrűségek (W/kg) szélesebb skálájával állíthatók elő, így a LiPo akkumulátorok rugalmasabbá válnak a lehetséges alkalmazások szélesebb körében. Ennek eredményeként a LiPo technológiát az összes fő lítium akkumulátor-vegyszerben alkalmazzák:

• lítium-kobalt-oxid akkumulátor (LCO)
• lítium-ion háromkomponensű akkumulátor (NCA, NMC)
• lítium-ion mangán-oxid akkumulátor (LMO)
• lítium-vas-foszfát akkumulátor (LFP)

Ragone telek összehasonlítása Li-ion, LiPo (PLiON), és más akkumulátorok. (Kép: MDPI)

alumínium-levegő és szilárd polimer akkumulátorok

az alumínium-levegő polimer akkumulátorok aktív fejlesztés alatt állnak. Ezeknek a nagy energiasűrűségű kialakításoknak van egy polimer szeparátora, amely közvetlenül érintkezik a lítium anóddal, hogy elválassza a katódtól. A többi polimer akkumulátorhoz hasonlóan az elválasztó megakadályozza az akkumulátor rövidzárlatát, és elnyeli a folyékony elektrolitot, hogy támogassa az ionszállítást és befejezze az elektromos áramkört.

sajnos a lítium anód dendriteket képezhet az akkumulátor ciklusa során. Ezek a dendritek behatolhatnak a polimer szeparátorba és lerövidíthetik az akkumulátort. Módosított szeparátorok fejlesztés alatt állnak, amelyek grafén-oxid rétegeket tartalmaznak. A grafén-oxid védi az anódot a szennyeződésektől, és megakadályozza a kémiai ingadozásokat a lítium-anód felületén. A grafén-oxid a polimer réteggel együtt működik, hogy megakadályozza az elektrolit és a lítium-anód közötti közvetlen érintkezést anélkül, hogy jelentősen csökkentené az ionvezetőképességet. Ez a kombinált szerkezet lassítja az anód elektrolit korrózióját. Remélhetőleg a jövőben kétféle réteg használata a lítium-anód stabilizálására nagyon nagy energiasűrűségű akkumulátorokat eredményez, ésszerű ciklusú élettartammal.

a mai gélesített membránok helyett valóban szilárd polimer elektrolitokkal (SPE) rendelkező sejtek szintén fejlesztés alatt állnak. A mai LiPo cellákat hibrid rendszernek tekintik a hagyományos Li-ion és a teljesen szilárdtest Li-ion akkumulátor között. A gélesített membránok hibrid rendszerek, ahol a folyadékfázisok a polimer mátrixban vannak. Bár tapintásra száraznak érezhetik magukat, legfeljebb 50% Folyékony oldószert tartalmazhatnak. A mai rendszereket hibrid polimer elektrolit (HPE) rendszereknek is nevezik, amelyek egyesítik a polimer anyagot, a folyékony oldószert és a sót. Az SPE-k fejlesztés alatt állnak, amelyek teljesen oldószermentes rendszerek polimer közegben.

az új szilárdtestszerkezet alacsony költségű és nagy fajlagos energiaátalakító típusú katódokat is használhat, amelyek nem kompatibilisek a folyadékalapú akkumulátor-vegyszerekkel, például a lítium-ionokkal. Az egyik példa egy szabadalmaztatott szulfid szilárd elektrolit, amely támogatja a nagy mennyiségű szilíciumot és lítiumfémet az anódban, ipari szabványú és kereskedelmi szempontból Érett katódokkal párosítva, beleértve a lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxidokat (NMC). Az új katódok lítiumfémmel kombinálhatók a kobalt és a nikkel eltávolítására, és 90% – kal csökkenthetik a katód aktív anyagköltségeit.

a szilárdtest akkumulátor fejlesztési ütemterve eltávolítja a kobaltot és a nikkelt a katódból (jobb szélen). (Kép: Solid Power)

szilárdtest cellákat állítottak elő, amelyek ipari szabványú lítium-ion berendezésekkel és eljárásokkal 2AH-t szolgáltatnak. A 20AH magas tartalmú Szilícium-anódcella kereskedelmi gyártása 2021 végére várható, az 100Ah várhatóan 2022-ben következik be.

összefoglaló

a LiPos számos teljesítménynövelést kínál a Li-ionokhoz képest, beleértve a nagyobb energiasűrűséget és a könnyebb súlyú akkumulátorokat. Ezenkívül a Lipók szélesebb formában és méretben is előállíthatók. A mai Lipók azonban gélesített membránokat használnak, nem teljesen szilárd polimer elektrolitokat (SPE). Az SPE-k fejlesztés alatt állnak, és bizonyos alkalmazásokban kiterjeszthetik a LiPos teljesítményelőnyeit. Az alumínium-levegő polimer akkumulátorok nagyon nagy energiasűrűséget kínálnak (ami hosszabb hatótávolságot eredményez az elektromos járművek számára) és jó ciklusidőt biztosítanak. A teljesen szilárdtestű nagy formátumú lítium akkumulátorok 2021 későbbi szakaszában vannak a láthatáron.

jelenlegi Li-Ion akkumulátor technológiák elektromos járművek és lehetőségek fejlesztések, MDPI
különböző típusú lítium-polimer akkumulátorok, Grepow
Bevezetés a lítium-polimer akkumulátor technológia, Jauch
lítium-polimer akkumulátor, Wikipedia
gyártás lítium-ion akkumulátorok, Techsci Research
típusú lítium-ion, akkumulátor Egyetem