het verschil tussen lithium-ion-en lithium-polymeerbatterijen

een lithium-ion-polymeerbatterij (LiPo) (ook bekend als Li-poly, lithium-poly, PLiON, en andere namen) is een oplaadbare Li-ion-batterij met een polymeerelektrolyt in de vloeibare elektrolyt die wordt gebruikt in conventionele Li-ion-batterijen. Er zijn verschillende lipo-chemieproducten beschikbaar. Alle gebruik maken van een hoge geleidbaarheid gel polymeer als de elektrolyt. Lipo ‘ s bieden hogere specifieke energieën dan andere lithiumbatterijen, vaak gebruikt in systemen waar gewicht een belangrijke factor is, zoals mobiele apparaten, drones en sommige elektrische voertuigen. Deze FAQ begint met een vergelijking op hoog niveau van Li-ion-en LiPo-batterijen, gevolgd door een gedetailleerde blik op de zes basische lithiumbatterijen die het meest geschikt zijn voor gebruik in LiPo-batterijen. Het sluit af met een blik in de toekomst en de mogelijke ontwikkeling van aluminium-lucht polymeer batterijen en solid-state batterijen.

alle lithiumbatterijen zijn voorzien van een barrière om de anode en de kathode te scheiden en tegelijkertijd de beweging van ionen tussen de elektroden mogelijk te maken. In een LiPo bevat de polymeerafscheider ook de elektrolyt. Bovendien kunnen polymeerafscheiders een extra functie bieden die fungeert als” shutdown-afscheiders ” die de batterij kunnen uitschakelen als deze te heet wordt tijdens het opladen of ontladen. Afsluitscheiders zijn meerlagige structuren met ten minste één polyethyleenlaag die de stroom kan stoppen wanneer de temperatuur te hoog stijgt en ten minste één polypropyleenlaag die fungeert als een vorm van mechanische ondersteuning voor de afscheider.

intercalatie en decalatie van lithiumionen uit een positieve en een negatieve elektrode. Met uitzondering van de polymeerafscheider werken Lipo ‘ s volgens hetzelfde principe als Li-Ionen. Ze zijn echter op heel verschillende manieren verpakt.

Li-ionen worden gewoonlijk geleverd in een roestvrijstalen of aluminium behuizing. De behuizing is meestal cilindrisch, maar kan knoopvormig of rechthoekig (prismatisch) zijn. De zaak is relatief duur om te produceren en heeft de neiging om de maten en vormen die beschikbaar zijn te beperken. Maar het is ook robuust, helpt om de batterij te beschermen tegen schade. De behuizing wordt afgedicht met behulp van een laserlasproces.

De bouw van Lithium-ion-accu ‘ s is relatief ingewikkeld met een groot aantal componenten. (Afbeelding: Techsci Research)

Lipo ‘ s zijn verpakt in een aluminiumfolie “pouch” en worden zacht of pouch cellen genoemd. Het zakje is meestal prismatisch en gemakkelijker te fabriceren en goedkoper dan de roestvrijstalen of aluminium behuizingen van Li-Ionen. Dit type constructie maakt ook de productie van batterijen met een verscheidenheid aan aangepaste configuraties. De andere componenten in liposuctie zijn flinterdunne lagen (< 100 µm) die tegen relatief lage kosten in Massa kunnen worden geproduceerd. Het vervangen van het foliezakje voor het metaal kan resulteren in een hoge energiedichtheid en lichtgewicht batterijen. Zowel grote formaten als hoogtes van minder dan 1 mm kunnen worden bereikt, maar de cellen vereisen een zorgvuldige mechanische behandeling.

Lithium polymeer batterijzak constructie. (Afbeelding: Jauch)

het gebruik van Lipo ‘ s is onderhevig aan veel van dezelfde uitdagingen waarmee gebruikers van Li-ion te kampen hebben, waaronder overbelading, overontlading, overtemperatuurverrichting en interne shorts. Bovendien kunnen verbrijzeling of nagelpenetratie van de LiPo pouches leiden tot catastrofale storingen, variërend van buidelscheuringen tot elektrolytlekken en branden.

net als Li-ionen kunnen Liposculpturen bij hoge niveaus van overbelasting door verdamping van de elektrolyt uitzetten. Verdamping van de elektrolyt kan delaminatie veroorzaken, waardoor slechte contacten tussen de interne lagen van de cel worden veroorzaakt, waardoor de betrouwbaarheid en het cyclusleven worden verminderd. Deze uitbreiding kan vooral merkbaar zijn voor Liposucties, die letterlijk kunnen opblazen. Het kan ook structurele schade aan het hostsysteem veroorzaken.

in onderstaande tabel worden de spanningen en de typische toepassingen van de zes basische lithiumbatterijen vergeleken. Andere kenmerken van deze batterijen zijn::

• LCO-200Wh/kg, leveren een hoog vermogen, maar met de afweging van relatief korte levensduur, lage vermogens en lage thermische stabiliteit.
• LFP-120Wh/kg, lange cycluslevensduur en stabiliteit bij hoge bedrijfstemperaturen hebben.
• LMO-140Wh/kg, kathoden zijn gebaseerd op mangaan-oxide componenten die overvloedig, goedkoop, niet-toxisch zijn en een goede thermische stabiliteit bieden.
• NCA-250Wh/kg, biedt hoge specifieke energie en een lange levensduur.
• NMC-200Wh/kg, waarbij de verhoudingen van de chemische bestanddelen variëren, maakt de ontwikkeling mogelijk van geoptimaliseerde batterijen als energie-of energiecellen. Door zijn flexibiliteit is het een van de meest succesvolle Chemische Systemen voor lithiumbatterijen.
• LTO-80Wh/kg, laagste specifieke energie, maar kan snel worden opgeladen, ontladen tot 10 keer de nominale capaciteit, en is veilig.

vergelijking van lithiumbatterijspanningen en toepassingen. (Afbeelding: TechSci-onderzoek)

merk op dat de NMC -, LCO-en NCA-batterijen kobalt bevatten dat helpt om hogere vermogens te bieden. Ze kunnen grote hoeveelheden stroom leveren in een klein pakket, maar kunnen gevoeliger zijn voor thermische gebeurtenissen die veiligheidsproblemen kunnen veroorzaken.

het volgende cijfer bevat spider-diagrammen waarin de basistypen Li-batterijen worden vergeleken op basis van hun geschiktheid voor gebruik in elektrische voertuigen (EV ‘ s). In deze spinnendiagrammen hebben batterijen die beter geschikt zijn voor elektrische voertuigen een groter gekleurd gebied. De factoren die in aanmerking worden genomen zijn specifieke energie, specifiek vermogen, veiligheid, prestaties, levensduur en kosten. De specifieke energie in Wh / kg heeft betrekking op het EV-bereik. Het specifieke vermogen in W / kg heeft betrekking op de EV-versnelling. Met name in het geval van elektrische voertuigen is veiligheid van cruciaal belang. De prestatieparameter weerspiegelt het vermogen van de batterij om te worden gebruikt in extreme temperaturen, ook een belangrijke overweging in automotive toepassingen. De levensduur is een combinatie van het cyclusleven en de levensduur. Cost probeert alle gerelateerde kosten te vangen, met inbegrip van aangesloten systemen voor thermisch beheer, veiligheid, batterijbeheer en monitoring, en de noodzaak van een verlengde garantieperiode in EVs.

prestatievergelijking voor verschillende Li-ion chemiemetingen geschiktheid voor gebruik in elektrische voertuigen. (Afbeelding: MDPI)

lipo chemie

een polymeerelektrolyt resulteert in Verschillende prestatieverbeteringen, waaronder hoge energiedichtheid en lichtgewicht batterijen. Afhankelijk van de structuur van de polymeerlagen, kan het ook de veiligheid van de batterij verbeteren. In vergelijking met conventionele Li-ion-batterijen kunnen LiPo-batterijen worden vervaardigd met een breder scala aan specifieke energiedichtheden (Wh/kg) en Specifieke vermogensdichtheden (W/kg), waardoor LiPo-batterijen flexibeler worden voor een breder scala aan potentiële toepassingen. Als gevolg hiervan wordt LiPo-technologie gebruikt in alle belangrijke lithiumbatterijen:

• lithium-kobaltoxide-batterij (LCO)
• lithium-ion ternaire batterij (NCA, NMC)
• Lithium-ion mangaanoxide-batterij (LMO)
• Lithium-ion-mangaanoxide-batterij (LMO)
• Lithium-ijzerfosfaat-batterij (LFP ))

Ragone plot vergelijken Li-ion, LiPo (PLiON), en andere oplaadbare batterijen. (Afbeelding: MDPI)

Aluminium – lucht-en vaste polymeerbatterijen

Aluminium-luchtpolymeerbatterijen worden actief ontwikkeld. Deze ontwerpen met hoge energiedichtheid hebben een polymeerafscheider die rechtstreeks in contact komt met de lithiumanode om deze van de kathode te scheiden. Net als bij andere polymeerbatterijen voorkomt de separator dat de batterij kortsluit en absorbeert het vloeibare elektrolyt om het ionentransport te ondersteunen en het elektrische circuit te voltooien.

helaas kan de lithium-anode dendrieten vormen tijdens batterijcycli. Deze dendrieten kunnen de polymeerafscheider binnendringen en de batterij inkorten. Er zijn aangepaste afscheiders in ontwikkeling die grafeenoxidelagen omvatten. Het grafeenoxide beschermt de anode tegen verontreinigingen en voorkomt chemische schommelingen op het oppervlak van de lithiumanode. Het grafeenoxide werkt samen met de polymeerlaag om direct contact tussen de elektrolyt en de lithiumanode te stoppen zonder de iongeleiding significant te verminderen. Deze gecombineerde structuur vertraagt elektrolytcorrosie op de anode. Men hoopt dat in de toekomst het gebruik van twee soorten lagen om de lithiumanode te stabiliseren zal resulteren in zeer hoge energiedichtheidsbatterijen met redelijke cycluslevensduur.

cellen met echt Vaste polymeerelektrolyten (spe) in plaats van de huidige gelgelde membranen zijn ook in ontwikkeling. De huidige LiPo-cellen worden beschouwd als een’ hybride ‘ systeem tussen een conventionele Li-ion en een volledig solid-state Li-ion batterij. Gelgelde membranen zijn hybride systemen waarbij de vloeibare fasen zich in de polymeermatrix bevinden. Hoewel ze droog aanvoelen, kunnen ze tot 50% vloeibare oplosmiddelen bevatten. De systemen van vandaag worden ook hybrid polymer electrolyte (HPE) systemen genoemd die het polymeermateriaal, het vloeibare oplosmiddel en zout combineren. SPEs zijn in ontwikkeling die volledig oplosmiddelvrije systemen in een polymeermedium zijn.

De nieuwe vastestofstructuur kan ook gebruik maken van kathoden van het type lage kosten en hoge specifieke energieomzetting die niet compatibel zijn met vloeibare batterijchemie, zoals lithium-ion. Een voorbeeld is een propriëtaire sulfide-vaste elektrolyt die silicium-en lithiummetaal met een hoog gehalte in de anode ondersteunt in combinatie met industriestandaard en commercieel Rijpe kathoden, waaronder lithium-nikkelmangaan-kobaltoxiden (NMC). De nieuwe kathoden kunnen worden gecombineerd met lithiummetaal om kobalt en nikkel te verwijderen en kunnen de kosten van het actieve kathodemateriaal met 90% verlagen.

een solid-state batterij ontwikkeling routekaart verwijdert kobalt en nikkel uit de kathode (uiterst rechts). (Afbeelding: Solid Power)

Solid-state cellen zijn geproduceerd, leveren 2Ah met behulp van industrie-standaard lithium-ion apparatuur en processen. De commerciële productie van een 20ah hoog gehalte silicium anode cel wordt verwacht tegen het einde van 2021, met 100Ah naar verwachting volgen in 2022.

samenvatting

liposuctie biedt Verschillende prestatieverbeteringen in vergelijking met Li-Ionen, waaronder een hogere energiedichtheid en lichtere batterijen. Bovendien kunnen Lipo ‘ s in een grotere verscheidenheid van vormen en maten worden geproduceerd. De huidige liposuctie maakt echter gebruik van gelgeleerde membranen, niet van volledig vaste polymeerelektrolyten (SPEs). SPEs zijn in ontwikkeling en kunnen de prestatievoordelen van Liposucties in bepaalde toepassingen uitbreiden. Aluminium – lucht polymeerbatterijen bieden het potentieel voor zeer hoge energiedichtheden (wat resulteert in een langere actieradius voor elektrische voertuigen) en een goede levensduur van de cyclus. Volledig solid-state grootformaat lithiumbatterijen zijn aan de horizon voor later in 2021.

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