La differenza tra batterie agli ioni di litio e polimeri di litio

Una batteria ai polimeri di litio (LiPo) (nota anche come Li-poly, lithium-poly, PLiON e altri nomi)è una batteria ricaricabile agli ioni di litio con un elettrolita polimerico nell’elettrolita liquido Ci sono una varietà di LIPO chimici disponibili. Tutti usano un polimero gel ad alta conducibilità come elettrolita. Le LIPOS forniscono energie specifiche più elevate rispetto ad altre batterie al litio, spesso utilizzate in sistemi in cui il peso è un fattore importante, come dispositivi mobili, droni e alcuni veicoli elettrici. Questa FAQ inizia con un confronto di alto livello delle batterie Li-ion e LiPo, seguito da uno sguardo dettagliato alle sei chimiche di base della batteria al litio più adatte per l’uso nelle batterie LiPo. Si chiude con uno sguardo al futuro e al possibile sviluppo di batterie ai polimeri di alluminio-aria e batterie allo stato solido.

Tutte le batterie al litio includono una barriera per separare l’anodo e il catodo, consentendo anche il movimento di ioni tra gli elettrodi. In un LiPo, il separatore polimerico contiene anche l’elettrolita. Inoltre, i separatori polimerici possono fornire una funzione aggiuntiva che funge da” separatori di arresto ” che può spegnere la batteria se diventa troppo calda durante la carica o lo scarico. I separatori di arresto sono strutture multistrato con almeno uno strato di polietilene che può fermare il flusso di corrente quando la temperatura aumenta troppo e almeno uno strato di polipropilene che funge da supporto meccanico per il separatore.

L’intercalazione e la decalazione degli ioni di litio da un elettrodo positivo e un elettrodo negativo. Ad eccezione del separatore polimerico, i LiPos funzionano sullo stesso principio degli ioni di litio. Tuttavia, sono confezionati in modi molto diversi.

Gli ioni di litio vengono solitamente consegnati in una custodia in acciaio inossidabile o in alluminio. Il caso è più spesso cilindrico ma può essere a forma di bottone o rettangolare (prismatico). Il caso è relativamente costoso da produrre e tende a limitare le dimensioni e le forme disponibili. Ma è anche robusto, contribuendo a proteggere la batteria da eventuali danni. Il caso è sigillato utilizzando un processo di saldatura laser.

La costruzione della batteria agli ioni di litio è relativamente complicata con un gran numero di componenti. (Immagine: TechSci Research)

LiPos sono confezionati in un foglio di alluminio “sacchetto” e sono chiamati cellule morbide o sacchetto. Il sacchetto è per lo più prismatico e più facile da fabbricare, e più basso costo rispetto ai casi di acciaio inossidabile o alluminio di Li-ioni. Questo tipo di costruzione consente anche la produzione di batterie con una varietà di configurazioni personalizzate. Gli altri componenti in LiPos includono strati sottili di wafer (< 100 µm) che possono essere prodotti in serie ad un costo relativamente basso. La sostituzione del sacchetto di alluminio per il metallo può causare alta densità di energia e batterie leggere. È possibile ottenere sia grandi formati che altezze inferiori a 1 mm, ma le celle richiedono un’attenta movimentazione meccanica.

Batteria ai polimeri di litio pouch costruzione. (Immagine: Jauch)

L’uso di LiPos è soggetto a molte delle stesse sfide che gli utenti di Li-ion devono fare i conti con, tra cui il sovraccarico, over-scarico, funzionamento a temperatura eccessiva, e pantaloncini interni. Inoltre, la frantumazione o la penetrazione delle unghie delle buste LiPo possono causare guasti catastrofici che vanno dalle rotture delle buste alle perdite di elettroliti e agli incendi.

Come gli ioni di litio, LiPos può espandersi ad alti livelli di sovraccarico a causa della vaporizzazione dell’elettrolito. La vaporizzazione dell’elettrolita può causare delaminazione, causando cattivi contatti tra gli strati interni della cellula, riducendo l’affidabilità e la durata del ciclo. Questa espansione può essere particolarmente evidente per i LiPos, che possono letteralmente gonfiarsi. Può anche causare danni strutturali al sistema host.

La tabella seguente confronta le tensioni e le applicazioni tipiche delle sei chimiche di base della batteria al litio. Altre caratteristiche di queste batterie includono:

• LCO-200Wh / kg, offrono una potenza elevata, ma con il compromesso di vite relativamente brevi, basse potenze e bassa stabilità termica.
• LFP-120Wh / kg, hanno vita di ciclo lunga e stabilità alle alte temperature di funzionamento.
• LMO – 140Wh/kg, i catodi sono basati sui componenti dell’manganese-ossido che sono abbondanti, poco costosi, non tossici e forniscono la buona stabilità termica.
• NCA-250Wh / kg, offre un’elevata energia specifica e una lunga durata del ciclo.
• NMC-200Wh / kg, variando le proporzioni dei costituenti chimici permette lo sviluppo di batterie ottimizzate come celle di potenza o di energia. A causa della sua flessibilità, è uno dei sistemi chimici della batteria al litio di maggior successo.
• LTO-80Wh / kg, energia specifica più bassa, ma può essere caricata velocemente, scaricata fino a 10 volte la sua capacità nominale ed è sicura.

Confronto delle tensioni e delle applicazioni della batteria al litio. (Immagine: Ricerca TechSci)

Si noti che le batterie NMC, LCO e NCA contengono cobalto che aiuta a fornire capacità di alimentazione più elevate. Possono fornire grandi quantità di energia in un piccolo pacchetto, ma possono essere più suscettibili agli eventi termici che possono causare problemi di sicurezza.

La figura seguente include diagrammi spider che confrontano i tipi di base di batterie Li in base alla loro idoneità all’uso nei veicoli elettrici (EV). In questi diagrammi spider, le batterie che sono più adatte per i veicoli elettrici hanno un’area colorata più ampia. I fattori considerati sono energia specifica, potenza specifica, sicurezza, prestazioni, durata della vita e costi. L’energia specifica in Wh / kg si riferisce alla gamma EV. La potenza specifica in W / kg si riferisce all’accelerazione EV. Nel caso di veicoli elettrici in particolare, la sicurezza è una considerazione critica. Il parametro di prestazione riflette la capacità della batteria di essere utilizzato in condizioni di temperatura estreme, anche una considerazione importante nelle applicazioni automobilistiche. La durata della vita è una combinazione di vita di ciclo e longevità. Costo tenta di rilevare tutti i costi correlati, compresi i sistemi ancillari per la gestione termica, la sicurezza, la gestione della batteria e il monitoraggio, e la necessità di un periodo di garanzia esteso nei veicoli elettrici.

Confronto delle prestazioni per varie chimiche agli ioni di litio che misurano l’idoneità all’uso nei veicoli elettrici. (Immagine: MDPI)

LIPO chemistries

Un elettrolita polimerico si traduce in diversi miglioramenti delle prestazioni, tra cui alta densità di energia e batterie leggere. A seconda della struttura degli strati polimerici, può anche migliorare la sicurezza della batteria. Rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio, le batterie LiPo possono essere fabbricate con una gamma più ampia di densità di energia specifica (Wh / kg) e densità di potenza specifica (W/kg), rendendo le batterie LiPo più flessibili in una gamma più ampia di potenziali applicazioni. Di conseguenza, la tecnologia LiPo viene utilizzata in tutte le principali chimiche delle batterie al litio:

• ossido di cobalto Litio batteria (LCO)
• agli ioni di Litio ternario batteria (NCA, NMC)
• agli ioni di Litio ossido di manganese batteria (LMO)
• Litio ferro fosfato (LFP)

Ragone trama confrontando Li-ion, LiPo (PLiON), e altre batterie ricaricabili. (Immagine: MDPI)

Alluminio-aria e batterie ai polimeri solidi

Batterie ai polimeri di alluminio-aria sono in fase di sviluppo attivo. Questi disegni ad alta densità di energia hanno un separatore di polimeri direttamente a contatto con l’anodo di litio per separarlo dal catodo. Come in altre batterie ai polimeri, il separatore impedisce alla batteria di cortocircuitare e assorbe l’elettrolita liquido per supportare il trasporto di ioni e completare il circuito elettrico.

Sfortunatamente, l’anodo al litio può formare dendriti durante il ciclo della batteria. Questi dendriti possono penetrare nel separatore polimerico e accorciare la batteria. Separatori modificati sono in fase di sviluppo che include strati di ossido di grafene. L’ossido di grafene protegge l’anodo dai contaminanti e previene le fluttuazioni chimiche sulla superficie dell’anodo di litio. L’ossido di grafene lavora insieme allo strato polimerico per interrompere il contatto diretto tra l’elettrolita e l’anodo di litio senza ridurre significativamente la conduttività ionica. Questa struttura combinata rallenta la corrosione dell’elettrolito sull’anodo. Si spera che in futuro, l’uso di due tipi di strati per stabilizzare l’anodo di litio si tradurrà in batterie ad altissima densità di energia con ciclo di vita ragionevole.

Anche le celle con elettroliti polimerici veramente solidi (SPE) al posto delle attuali membrane gelificate sono in fase di sviluppo. Le celle LiPo di oggi sono considerate un sistema “ibrido” tra un Li-ion convenzionale e una batteria Li-ion completamente a stato solido. Le membrane gelificate sono sistemi ibridi in cui le fasi liquide sono contenute all’interno della matrice polimerica. Mentre possono sentirsi asciutti al tatto, possono contenere fino al 50% di solventi liquidi. I sistemi odierni sono anche chiamati sistemi ibridi di elettroliti polimerici (HPE) che combinano il materiale polimerico, il solvente liquido e il sale. Sono in fase di sviluppo sistemi SPES completamente privi di solventi in un mezzo polimerico.

La nuova struttura a stato solido può anche utilizzare catodi a basso costo e ad alta conversione di energia specifica che non sono compatibili con le chimiche delle batterie a base liquida come gli ioni di litio. Un esempio è un elettrolita solido solfuro proprietario che supporta silicio ad alto contenuto e litio metallico nell’anodo accoppiato con catodi standard del settore e commercialmente maturi, compresi gli ossidi di cobalto al nichel manganese al litio (NMC). I nuovi catodi possono essere combinati con litio metallico per rimuovere cobalto e nichel e potrebbero ridurre i costi del materiale attivo del catodo del 90%.

Una road map di sviluppo della batteria a stato solido rimuove cobalto e nichel dal catodo (all’estrema destra). (Immagine: Potenza solida)

Sono state prodotte celle a stato solido, che forniscono 2Ah utilizzando apparecchiature e processi agli ioni di litio standard del settore. La produzione commerciale di una cella di anodo di silicio ad alto contenuto di 20Ah è prevista entro la fine del 2021, con 100Ah dovrebbe seguire nel 2022.

Sommario

LiPos offre diversi miglioramenti delle prestazioni rispetto agli ioni di litio, tra cui una maggiore densità di energia e batterie più leggere. Inoltre, LiPos può essere prodotto in una più ampia varietà di forme e dimensioni. Tuttavia, i LiPos di oggi usano membrane gelificate, non elettroliti polimerici completamente solidi (SPES). Le SPE sono in fase di sviluppo e potrebbero estendere i vantaggi prestazionali delle LiPos in alcune applicazioni. Le batterie ai polimeri di alluminio-aria offrono il potenziale per densità di energia molto elevate (con conseguente gamme più lunghe per i veicoli elettrici) e una buona durata del ciclo. Completamente a stato solido batterie al litio di grande formato sono all’orizzonte per più tardi nel 2021.

Attuali tecnologie della batteria agli ioni di litio nei veicoli elettrici e opportunità per i progressi, MDPI
Diversi tipi di batterie ai polimeri di litio, Grepow
Introduzione alla tecnologia della batteria ai polimeri di litio, Jauch
Batteria ai polimeri di litio, Wikipedia
Produzione di batterie agli ioni di litio, TechSci Research
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