różnica między bateriami litowo-jonowymi i litowo-polimerowymi

akumulator litowo-jonowy (LiPo) (znany również jako Li-poly, Litowo-poly, PLiON i inne nazwy) jest akumulatorem litowo-jonowym z elektrolitem polimerowym w ciekłym elektrolicie stosowanym w konwencjonalnych bateriach litowo-jonowych. Dostępne są różne chemikalia LiPo. Wszyscy używają polimeru żelowego o wysokiej przewodności jako elektrolitu. LiPos zapewniają wyższe specyficzne Energie niż inne baterie litowe, często stosowane w systemach, w których waga jest ważnym czynnikiem, takich jak urządzenia mobilne, Drony i niektóre pojazdy elektryczne. Ten FAQ rozpoczyna się od wysokiego poziomu porównania akumulatorów litowo-jonowych i LiPo, a następnie szczegółowego spojrzenia na sześć podstawowych akumulatorów litowych najbardziej odpowiednich do stosowania w akumulatorach LiPo. Zamyka się spojrzeniem w przyszłość i ewentualnym rozwojem aluminiowo-powietrznych akumulatorów polimerowych i akumulatorów półprzewodnikowych.

wszystkie baterie litowe zawierają barierę oddzielającą anodę od katody, jednocześnie umożliwiając przepływ jonów między elektrodami. W LiPo separator polimerowy zawiera również elektrolit. Ponadto separatory polimerowe mogą zapewnić dodatkową funkcję działającą jako “separatory wyłączające”, które mogą wyłączyć akumulator, jeśli stanie się zbyt gorący podczas ładowania lub rozładowania. Separatory odcinające są wielowarstwowymi strukturami z co najmniej jedną warstwą polietylenu, która może zatrzymać przepływ prądu, gdy temperatura wzrośnie zbyt wysoko i co najmniej jedną warstwą polipropylenu, która działa jako forma mechanicznego podparcia separatora.

interkalacja i dekalacja jonów litu z elektrody dodatniej i ujemnej. Z wyjątkiem separatora polimerowego, LiPos działają na tej samej zasadzie co jony Li. Są one jednak pakowane na zupełnie różne sposoby.

jony Li są zwykle dostarczane w obudowie ze stali nierdzewnej lub aluminium. Obudowa jest najczęściej cylindryczna, ale może mieć kształt guzikowy lub prostokątny (pryzmatyczny). Sprawa jest stosunkowo kosztowna w produkcji i ma tendencję do ograniczania rozmiarów i kształtów, które są dostępne. Ale jest również wytrzymały, pomagając chronić baterię przed uszkodzeniem. Obudowa jest uszczelniona za pomocą procesu spawania laserowego.

konstrukcja akumulatora litowo-jonowego jest stosunkowo skomplikowana przy dużej liczbie komponentów. (Fot. TechSci Research)

LiPos są pakowane w “torebkę” z folii aluminiowej i nazywane są komórkami miękkimi lub torebkami. Torebka jest w większości pryzmatyczna i łatwiejsza do wytworzenia oraz tańsza niż obudowy Ze stali nierdzewnej lub aluminium z jonami Li. Tego typu konstrukcja umożliwia również produkcję baterii o różnych konfiguracjach niestandardowych. Inne składniki w LiPos obejmują cienkie warstwy wafli (< 100 µm), które mogą być produkowane masowo przy stosunkowo niskich kosztach. Zastąpienie woreczka foliowego metalem może skutkować wysoką gęstością energii i lekkimi bateriami. Można uzyskać zarówno duże formaty, jak i wysokości poniżej 1 mm, ale ogniwa wymagają starannej obsługi mechanicznej.

konstrukcja Etui na baterie litowo-polimerowe. (Image: Jauch)

korzystanie z LiPos podlega wielu tym samym wyzwaniom, z którymi muszą borykać się użytkownicy Li-ion, w tym przeładowaniu, nadmiernemu rozładowaniu, nadmiernej temperaturze i wewnętrznym zwarciom. Ponadto zgniatanie lub penetracja gwoździ torebek LiPo może spowodować katastrofalne awarie, od pęknięcia torebki po wycieki elektrolitu i pożary.

podobnie jak jony Li, LiPos mogą rozszerzać się przy wysokim poziomie przeładowania z powodu odparowania elektrolitu. Odparowanie elektrolitu może powodować rozwarstwienie, powodując złe kontakty między wewnętrznymi warstwami ogniwa, zmniejszając niezawodność i żywotność cyklu. Ta ekspansja może być szczególnie zauważalna dla LiPos, które mogą dosłownie nadmuchać. Może również spowodować uszkodzenie strukturalne systemu hosta.

poniższa tabela porównuje napięcia i typowe zastosowania sześciu podstawowych baterii litowych. Inne cechy tych baterii obejmują:

• LCO – 200WH/kg, zapewniają wysoką moc, ale przy kompromisie stosunkowo krótkich żywotności, niskich mocy i niskiej stabilności termicznej.
• LFP-120wh / kg, mają długą żywotność i stabilność w wysokich temperaturach roboczych.
• LMO – 140wh/kg, katody są oparte na składnikach tlenku manganu, które są obfite, niedrogie, nietoksyczne i zapewniają dobrą stabilność termiczną.
• NCA-250WH / kg, oferuje wysoką energię właściwą i długą żywotność cyklu.
• NMC-200wh / kg, zmiana proporcji składników chemicznych pozwala na rozwój baterii zoptymalizowanych jako ogniwa energetyczne lub energetyczne. Ze względu na swoją elastyczność jest to jeden z najbardziej udanych systemów chemicznych baterii litowych.
• LTO-80Wh / kg, najniższa energia właściwa, ale może być szybko ładowana, rozładowywana do 10-krotności pojemności znamionowej i jest Bezpieczna.

porównanie napięć i zastosowań baterii litowych. (Obraz: Badania TechSci)

należy pamiętać, że baterie NMC, LCO i NCA zawierają kobalt, który pomaga zapewnić większe możliwości zasilania. Mogą dostarczać duże ilości energii w małym opakowaniu, ale mogą być bardziej podatne na zdarzenia termiczne, które mogą powodować problemy z bezpieczeństwem.

następna liczba zawiera schematy pająków porównujące podstawowe typy baterii litowych w oparciu o ich przydatność do stosowania w pojazdach elektrycznych (EVs). Na tych diagramach pająków baterie, które lepiej nadają się do pojazdów elektrycznych, mają większy kolorowy obszar. Rozważane czynniki to określona energia, określona moc, bezpieczeństwo, wydajność, żywotność i koszt. Energia właściwa w Wh / kg odnosi się do zakresu EV. Moc właściwa w W / kg odnosi się do przyspieszenia EV. W szczególności w przypadku pojazdów elektrycznych bezpieczeństwo ma kluczowe znaczenie. Parametr wydajności odzwierciedla zdolność akumulatora do stosowania w ekstremalnych warunkach temperaturowych, co jest również ważne w zastosowaniach motoryzacyjnych. Żywotność to połączenie cyklu życia i długowieczności. Koszt próbuje uchwycić wszystkie powiązane koszty, w tym Systemy pomocnicze do zarządzania ciepłem, bezpieczeństwa, zarządzania akumulatorami i monitorowania, a także potrzebę przedłużenia okresu gwarancji w pojazdach elektrycznych.

porównanie wydajności dla różnych chemikaliów Li-ion mierzących przydatność do stosowania w pojazdach elektrycznych. (Image: MDPI)

chemikalia LiPo

elektrolit polimerowy zapewnia kilka ulepszeń wydajności, w tym wysoką gęstość energii i lekkie baterie. W zależności od struktury warstw polimerowych może również zwiększyć bezpieczeństwo baterii. W porównaniu z konwencjonalnymi bateriami litowo-jonowymi, baterie LiPo mogą być produkowane z szerszym zakresem gęstości energii (Wh/kg) i gęstości mocy (W / kg), dzięki czemu baterie LiPo są bardziej elastyczne w szerszym zakresie potencjalnych zastosowań. W rezultacie Technologia LiPo jest stosowana we wszystkich głównych bateriach litowych:

• bateria litowo-kobaltowa (LCO)
• bateria litowo-jonowa trójskładnikowa (NCA, NMC)
• Bateria litowo-jonowa z tlenkiem manganu (LMO)
• bateria litowo-fosforanowa (LFP)

Wykres Ragone porównujący Li-ion, LiPo (PLiON) i inne akumulatory. (Image: MDPI)

akumulatory aluminiowo-powietrzne i lite polimerowe

akumulatory aluminiowo-powietrzne polimerowe są w trakcie aktywnego rozwoju. Te konstrukcje o wysokiej gęstości energii mają separator polimerowy bezpośrednio stykający się z anodą litową, aby oddzielić ją od katody. Podobnie jak w innych akumulatorach polimerowych, separator zapobiega zwarciu akumulatora i pochłania ciekły elektrolit, aby wspomóc transport jonów i zakończyć obwód elektryczny.

niestety, anoda litowa może tworzyć dendryty podczas cyklu Baterii. Dendryty te mogą przenikać przez separator polimerowy i skracać akumulator. Opracowywane są zmodyfikowane separatory zawierające warstwy tlenku grafenu. Tlenek grafenu chroni anodę przed zanieczyszczeniami i zapobiega fluktuacjom chemicznym na powierzchni anody litowej. Tlenek grafenu współpracuje z warstwą polimerową, aby zatrzymać bezpośredni kontakt między elektrolitem a anodą litu bez znacznego zmniejszenia przewodności jonów. Ta połączona struktura spowalnia korozję elektrolitu na anodzie. Mamy nadzieję, że w przyszłości zastosowanie dwóch rodzajów warstw do stabilizacji anody litowej spowoduje powstanie baterii o bardzo dużej gęstości energii i rozsądnym czasie trwania cyklu.

rozwijane są również komórki z prawdziwie stałymi elektrolitami polimerowymi (SPE) w miejsce dzisiejszych żelowanych błon. Dzisiejsze ogniwa LiPo są uważane za “hybrydowy” system pomiędzy konwencjonalnym akumulatorem litowo-jonowym a całkowicie półprzewodnikowym akumulatorem litowo-jonowym. Żelowane membrany są układami hybrydowymi, w których fazy ciekłe są zawarte w matrycy polimerowej. Chociaż mogą czuć się suche w dotyku, mogą zawierać do 50% płynnych rozpuszczalników. Dzisiejsze systemy są również nazywane hybrydowymi systemami elektrolitu polimerowego (HPE), które łączą materiał polimerowy, ciekły rozpuszczalnik i sól. Spe są w fazie rozwoju, które są całkowicie wolne od rozpuszczalników systemów w podłożu polimerowym.

nowa struktura półprzewodnikowa może również wykorzystywać katody o niskim koszcie i wysokiej charakterystyce konwersji energii, które nie są kompatybilne z chemikaliami akumulatorowymi na bazie cieczy, takimi jak litowo-jonowe. Jednym z przykładów jest zastrzeżony stały elektrolit siarczkowy, który obsługuje wysoką zawartość krzemu i metalu litu w anodzie w połączeniu ze standardowymi i komercyjnie dojrzałymi katodami, w tym tlenkami litowo-niklowo-manganowo-kobaltowymi (NMC). Nowe katody mogą być łączone z metalem litowym w celu usunięcia kobaltu i niklu i mogą obniżyć koszty materiałów aktywnych katod o 90%.

Mapa Drogowa rozwoju baterii w stanie stałym usuwa kobalt i nikiel z katody (z prawej strony). (Image: Solid Power)

wyprodukowano ogniwa półprzewodnikowe, dostarczające 2Ah przy użyciu standardowego sprzętu i procesów litowo-jonowych. Komercyjna produkcja ogniwa anodowego krzemowego o wysokiej zawartości 20AH ma nastąpić do końca 2021 r., a 100Ah ma nastąpić w 2022 r.

podsumowanie

LiPos oferuje kilka ulepszeń wydajności w porównaniu z jonami Li, w tym wyższą gęstość energii i lżejsze baterie. Ponadto LiPos mogą być produkowane w szerszej gamie kształtów i rozmiarów. Jednak dzisiejsze LiPos wykorzystują żelowane membrany, a nie w pełni stałe elektrolity polimerowe (SPEs). Spe są w fazie rozwoju i mogą rozszerzyć zalety wydajności lipos w niektórych aplikacjach. Akumulatory polimerowo-aluminiowe oferują potencjał bardzo wysokich gęstości energii (co skutkuje dłuższymi zakresami dla pojazdów elektrycznych) i dobrą żywotnością. Całkowicie półprzewodnikowe wielkoformatowe baterie litowe są na horyzoncie jeszcze w 2021 roku.

obecne technologie akumulatorów litowo-jonowych w pojazdach elektrycznych i możliwości rozwoju, MDPI
różne rodzaje baterii litowo-polimerowych, Grepow
Wprowadzenie do technologii baterii litowo-polimerowych, Jauch
Bateria Litowo-polimerowa, Wikipedia
produkcja baterii litowo-jonowych, badania TechSci
rodzaje baterii litowo-jonowych, Uniwersytet baterii