A diferença entre iões de lítio e polímero de lítio baterias

Uma bateria de lítio-íon polímero (LiPo) bateria (também conhecido como Li-poly, bateria de lítio-poli, PLiON, e outros nomes) é uma bateria recarregável de Li-ion com um polímero eletrólito o eletrólito líquido utilizado na convencionais baterias de lítio-íon. Há uma variedade de químicos LiPo disponíveis. Todos usam um polímero de gel de alta condutividade como eletrólito. Os LiPos fornecem energias específicas mais altas do que outras baterias de lítio, frequentemente usadas em sistemas onde o peso é um fator importante, como dispositivos móveis, drones e alguns veículos elétricos. Este FAQ começa com uma comparação de alto nível de baterias Li-ion e LiPo, seguida por uma análise detalhada das seis químicas básicas de baterias de lítio mais adequadas para uso em baterias LiPo. Ele fecha com um olhar para o futuro e o possível desenvolvimento de baterias de polímero de alumínio-ar e baterias de Estado Sólido.

todas as baterias de lítio incluem uma barreira para separar o ânodo e o cátodo ao igualmente permitir o movimento dos íons entre os elétrodos. Em um LiPo, o separador de polímero também contém o eletrólito. Além disso, os separadores de polímero podem fornecer uma função adicional atuando como “separadores de desligamento” que podem desligar a bateria se ela ficar muito quente durante o carregamento ou descarga. Encerramento separadores são estruturas de multicamadas com pelo menos uma camada de polietileno que pode parar o fluxo de corrente quando a temperatura sobe muito alto e pelo menos uma camada de polipropileno, que atua como uma forma de suporte mecânico para o separador.

a intercalação e decalação de íons de lítio de um eletrodo positivo e um eletrodo negativo. Exceto pelo separador de polímero, os LiPos operam com o mesmo princípio que os íons de lítio. No entanto, eles são embalados de maneiras bastante diferentes.

os íons de lítio são geralmente entregues em uma caixa de aço inoxidável ou alumínio. O caso é mais frequentemente cilíndrico, mas pode ser em forma de botão ou retangular (prismático). O caso é relativamente caro de produzir e tende a restringir os tamanhos e formas que estão disponíveis. Mas também é robusto, ajudando a proteger a bateria de danos. O caso é selado usando um processo de soldagem a laser.

a construção de baterias de íons de lítio é relativamente complicada com um grande número de componentes. (Imagem: Pesquisa TechSci)

os LiPos são embalados em uma “bolsa” de folha de alumínio e são chamados de células moles ou malotes. A bolsa é principalmente prismática e mais fácil de fabricar, e menor custo do que os casos de aço inoxidável ou alumínio de íons de lítio. Este tipo de construção também permite a produção de baterias com uma variedade de Configurações personalizadas. Os outros componentes em LiPos incluem camadas finas de bolacha (< 100 µm) que podem ser produzidas em massa a um custo relativamente baixo. Substituir a bolsa de papel alumínio pelo metal pode resultar em alta densidade de energia e baterias leves. Podem ser alcançados formatos grandes e alturas inferiores a 1 mm, mas as células requerem um manuseio mecânico cuidadoso.

construção do malote da bateria do polímero do lítio. (Imagem: Jauch)

o uso de LiPos está sujeito a muitos dos mesmos desafios que os usuários de Li-ion devem enfrentar, incluindo sobrecarga, descarga excessiva, operação com temperatura excessiva e shorts internos. Além disso, o esmagamento ou a penetração das unhas das bolsas LiPo podem resultar em falhas catastróficas que variam de rupturas de bolsas a vazamentos de eletrólitos e incêndios.

como os Li-íons, os LiPos podem se expandir em altos níveis de sobrecarga devido à vaporização do eletrólito. A vaporização do eletrólito pode causar delaminação, causando maus contatos entre as camadas internas da célula, reduzindo a confiabilidade e a vida útil do ciclo. Essa expansão pode ser particularmente perceptível para os LiPos, que podem literalmente inflar. Também pode causar danos estruturais ao sistema host.

a tabela abaixo compara as tensões e aplicações típicas das seis químicas básicas da bateria de lítio. Outras características dessas baterias incluem:

• LCO-200Wh / kg, oferecem uma alta potência, mas com a troca de vidas relativamente curtas, baixas classificações de energia e baixa estabilidade térmica.
• LFP-120wh / kg, têm vidas de ciclo longas e estabilidade em altas temperaturas de funcionamento.
• LMO – 140wh/kg, os cátodos são baseados em componentes de óxido de manganês que são abundantes, baratos, não tóxicos e fornecem boa estabilidade térmica.
• NCA-250wh / kg, oferece alta energia específica e longas vidas de ciclo.
• NMC-200Wh / kg, variando as proporções dos constituintes químicos permite o desenvolvimento de baterias otimizadas como células de energia ou energia. Devido à sua flexibilidade, é um dos sistemas químicos de baterias de lítio mais bem-sucedidos.
• LTO – 80WH / kg, menor energia específica, mas pode ser carregado rapidamente, descarregado em até 10 vezes sua capacidade nominal e é seguro.

comparação de tensões e aplicações da bateria de lítio. (Imagem: TechSci Research)

observe que as baterias NMC, LCO e NCA contêm cobalto que ajuda a fornecer recursos de maior potência. Eles podem fornecer grandes quantidades de energia em um pacote pequeno, mas podem ser mais suscetíveis a eventos térmicos que podem causar problemas de segurança.

a próxima figura inclui diagramas de aranha comparando os tipos básicos de baterias Li com base em sua adequação para uso em veículos elétricos (EVs). Nesses diagramas de aranha, as baterias mais adequadas para EVs têm uma área colorida maior. Os fatores considerados são energia específica, potência específica, segurança, desempenho, vida útil e custo. A energia específica em Wh/kg refere-se à faixa de EV. A potência específica em W / kg refere-se à aceleração EV. No caso de EVs em particular, a segurança é uma consideração crítica. O parâmetro de desempenho reflete a capacidade da bateria de ser usada em condições extremas de temperatura, também uma consideração importante em aplicações automotivas. A esperança de vida é uma combinação de vida de ciclo e longevidade. O custo tenta capturar todos os custos relacionados, incluindo sistemas auxiliares para gerenciamento térmico, segurança, gerenciamento de bateria e monitoramento, e a necessidade de um período de garantia prolongado em EVs.

comparação de desempenho para várias químicas Li-ion que medem a adequação para uso em veículos elétricos. (Imagem: MDPI)

LiPo chemistries

um eletrólito de polímero resulta em vários aprimoramentos de desempenho, incluindo alta densidade de energia e baterias leves. Dependendo da estrutura das camadas de polímero, também pode aumentar a segurança da bateria. Em comparação com as baterias convencionais de iões De Lítio, as baterias LiPo podem ser fabricadas com uma gama mais ampla de densidades de energia específicas (Wh/kg) e densidades de energia específicas (W/kg), tornando as baterias LiPo mais flexíveis em uma ampla gama de aplicações potenciais. Como resultado, a tecnologia LiPo é usada em todas as principais químicas de baterias de lítio:

• Lítio pilha de óxido de cobalto (LCO)
• bateria de Lítio-íon ternário bateria (ANC, CNM)
• bateria de Lítio-íon de manganês de óxido de lítio (LMO)
• fosfato do ferro do Lítio da bateria (LFP)

Ragone enredo comparando Li-ion, LiPo (PLiON), e outras baterias recarregáveis. (Imagem: MDPI)

baterias de polímero de alumínio-ar e sólido

as baterias de Polímero De Alumínio-ar estão em desenvolvimento ativo. Estes projetos da densidade de alta energia têm um separador do polímero contactado diretamente com o ânodo do lítio para separá-lo do cátodo. Como em outras baterias de polímero, o separador evita que a bateria entre em curto-circuito e absorve eletrólito líquido para suportar o transporte de íons e completar o circuito elétrico.

Infelizmente, o ânodo de lítio pode formar dendritos durante o ciclismo da bateria. Esses dendritos podem penetrar no separador de polímero e encurtar a bateria. Separadores modificados estão em desenvolvimento que inclui camadas de óxido de grafeno. O óxido de grafeno protege o ânodo de contamina e evita flutuações químicas na superfície do ânodo de lítio. O óxido de grafeno trabalha em conjunto com a camada de polímero para parar o contato direto entre o eletrólito e o ânodo de lítio sem reduzir significativamente a condutividade do íon. Esta estrutura combinada retarda a corrosão eletrolítica no ânodo. Espera-se que, no futuro, o uso de dois tipos de camadas para estabilizar o ânodo de lítio resulte em baterias de densidade de energia muito alta com ciclo de vida razoável.

células com eletrólitos poliméricos verdadeiramente sólidos (SPE) no lugar das membranas gelificadas de hoje também estão em desenvolvimento. As células LiPo de hoje são consideradas um sistema “híbrido” entre um íon de lítio convencional e uma bateria de íon de lítio de Estado Sólido. Membranas gelificadas são sistemas híbridos onde as fases líquidas estão contidas dentro da matriz polimérica. Embora possam parecer secos ao toque, podem conter até 50% de solventes líquidos. Os sistemas atuais também são chamados de sistemas híbridos de eletrólitos poliméricos (HPE) que combinam o material polimérico, o solvente líquido e o sal. SPEs estão em desenvolvimento que são sistemas completamente livres de solventes em um meio polimérico.

a nova estrutura de estado sólido também pode usar cátodos do tipo de conversão de energia específica de baixo custo e alta que não são compatíveis com produtos químicos de bateria à base de líquido, como íons de lítio. Um exemplo é um eletrólito sólido de sulfeto proprietário que suporta silício de alto teor e metal de lítio no ânodo emparelhado com cátodos padrão da indústria e comercialmente maduros, incluindo óxidos de cobalto de manganês de níquel de lítio (NMC). Os novos cátodos podem ser combinados com metal de lítio para remover cobalto e níquel e podem diminuir os custos de material ativo do cátodo em 90%.

um roteiro de desenvolvimento de bateria de Estado Sólido remove cobalto e níquel do cátodo (à direita). (Imagem: potência sólida)

células de Estado Sólido foram produzidas, fornecendo 2Ah usando equipamentos e processos de íons de lítio padrão da indústria. A produção comercial de uma célula de ânodo de silício de alto teor de 20Ah é esperada até o final de 2021, com 100ah prevista para seguir em 2022.

resumo

a LiPos oferece vários aprimoramentos de desempenho em comparação com os íons de lítio, incluindo maior densidade de energia e baterias mais leves. Além disso, os LiPos podem ser produzidos em uma variedade maior de formas e tamanhos. No entanto, os LiPos de hoje usam membranas gelificadas, eletrólitos de polímero não totalmente sólidos (SPEs). Os SPEs estão em desenvolvimento e podem estender as vantagens de desempenho dos LiPos em certas aplicações. As baterias do polímero do alumínio-ar oferecem o potencial para densidades de energia muito altas (tendo por resultado umas escalas mais longas para EVs) e boas vidas de ciclo. Baterias de lítio de grande formato de estado totalmente sólido estão no horizonte para o final de 2021.

Atual da Bateria do Li-Íon de Tecnologias de Veículos Elétricos e Oportunidades para Avanços, MDPI
Diferentes tipos de Polímero de Lítio baterias, Grepow
Introdução a Bateria de Polímero de Lítio Tecnologia, Jauch
bateria de polímero de Lítio, a Wikipédia
Fabricação de Baterias de iões de Lítio, TechSci Pesquisa
Tipos de iões de Lítio, Bateria Universidade