diferența dintre bateriile litiu-ion și litiu-polimer

o baterie litiu-ion polimer (LiPo) (cunoscută și sub numele de Li-poli, litiu-poli, PLiON și alte nume) este o baterie Li-ion reîncărcabilă cu un electrolit polimer în electrolitul lichid utilizat în bateriile Li-ion convenționale. Există o varietate de lipo chemistries disponibile. Toate folosesc un polimer gel de înaltă conductivitate ca electrolit. LiPos oferă energii specifice mai mari decât alte baterii cu litiu, adesea utilizate în sisteme în care greutatea este un factor important, cum ar fi dispozitivele mobile, dronele și unele vehicule electrice. Acest FAQ începe cu o comparație la nivel înalt a bateriilor Li-ion și LiPo, urmată de o privire detaliată asupra celor șase substanțe chimice de bază ale bateriilor cu litiu cele mai potrivite pentru utilizarea în bateriile LiPo. Se închide cu o privire asupra viitorului și posibila dezvoltare a bateriilor polimerice din aluminiu-aer și a bateriilor în stare solidă.

toate bateriile cu litiu includ o barieră pentru a separa anodul și catodul, permițând în același timp mișcarea ionilor între electrozi. Într-un LiPo, separatorul de polimeri conține și electrolitul. În plus, separatoarele de polimeri pot oferi o funcție suplimentară care acționează ca “separatoare de oprire” care pot opri bateria dacă devine prea fierbinte în timpul încărcării sau descărcării. Separatoarele de oprire sunt structuri multistrat cu cel puțin un strat de polietilenă care poate opri fluxul de curent atunci când temperatura crește prea mare și cel puțin un strat de polipropilenă care acționează ca o formă de suport mecanic pentru separator.

intercalarea și decalarea ionilor de litiu de la un electrod pozitiv și un electrod negativ. Cu excepția separatorului de polimeri, LiPos funcționează pe același principiu ca și ionii Li. Cu toate acestea, ele sunt ambalate în moduri destul de diferite.

Li-ionii sunt de obicei livrați într-o carcasă din oțel inoxidabil sau aluminiu. Carcasa este cel mai adesea cilindrică, dar poate fi în formă de buton sau dreptunghiulară (prismatică). Cazul este relativ costisitor de produs și tinde să restricționeze dimensiunile și formele disponibile. Dar este, de asemenea, robust, ajutând la protejarea bateriei de deteriorări. Carcasa este sigilată folosind un proces de sudare cu laser.

construcția bateriei litiu-ion este relativ complicată cu un număr mare de componente. (Imagine: TechSci Research)

Liposurile sunt ambalate într-o “pungă” din folie de aluminiu și se numesc celule moi sau pungă. Punga este în mare parte prismatică și mai ușor de fabricat și are un cost mai mic decât carcasele din oțel inoxidabil sau aluminiu ale Li-ionilor. Acest tip de construcție permite, de asemenea, producerea de baterii cu o varietate de configurații personalizate. Celelalte componente din LiPos includ straturi subțiri de napolitane (< 100 unktm) care pot fi produse în masă la un cost relativ scăzut. Înlocuirea pungii de folie pentru metal poate duce la densitate mare de energie și baterii ușoare. Se pot obține atât formate mari, cât și înălțimi mai mici de 1 mm, dar celulele necesită o manipulare mecanică atentă.

litiu polimer baterie husă de construcție. (Imagine: Jauch)

utilizarea LiPos este supusă la multe dintre aceleași provocări cu care trebuie să se confrunte utilizatorii Li-ion, inclusiv supraîncărcarea, supra-descărcarea, funcționarea la temperaturi ridicate și pantaloni scurți interni. În plus, zdrobirea sau pătrunderea unghiilor pungilor LiPo poate duce la eșecuri catastrofale, de la rupturi ale pungii până la scurgeri de electroliți și incendii.

la fel ca ionii Li, LiPos se pot extinde la niveluri ridicate de supraîncărcare datorită vaporizării electrolitului. Vaporizarea electrolitului poate provoca delaminarea, provocând contacte proaste între straturile interne ale celulei, reducând fiabilitatea și durata de viață a ciclului. Această expansiune poate fi deosebit de vizibilă pentru LiPos, care se poate umfla literalmente. De asemenea, poate provoca daune structurale sistemului gazdă.

tabelul de mai jos compară tensiunile și aplicațiile tipice ale celor șase substanțe chimice de bază ale bateriilor cu litiu. Alte caracteristici ale acestor baterii includ:

• LCO – 200wh/kg, oferă o putere mare, dar cu compromisul unor vieți relativ scurte, ratinguri de putere reduse și stabilitate termică scăzută.
• LFP – 120wh/kg, au o durată lungă de viață și stabilitate la temperaturi ridicate de funcționare.
• LMO – 140wh/kg, catodii se bazează pe componente de oxid de mangan care sunt abundente, ieftine, netoxice și asigură o bună stabilitate termică.
• NCA – 250WH/kg, oferă o energie specifică ridicată și o durată lungă de viață.
• NMC – 200WH/kg, variația proporțiilor constituenților chimici permite dezvoltarea bateriilor optimizate ca celule de putere sau energie. Datorită flexibilității sale, este unul dintre cele mai de succes sisteme chimice cu baterii de litiu.
• LTO-80Wh / kg, cea mai mică energie specifică, dar poate fi încărcată rapid, descărcată de până la 10 ori capacitatea nominală și este sigură.

Compararea tensiunilor și aplicațiilor bateriei cu litiu. (Imagine: TechSci Research)

rețineți că bateriile NMC, LCO și NCA conțin Cobalt care ajută la furnizarea de capacități de putere mai mari. Acestea pot furniza cantități mari de energie într-un pachet mic, dar pot fi mai susceptibile la evenimente termice care pot provoca probleme de siguranță.

următoarea figură include diagrame spider care compară tipurile de bază de baterii Li pe baza adecvării lor pentru utilizarea în vehicule electrice (Ev). În aceste diagrame păianjen, bateriile care sunt mai potrivite pentru EV au o suprafață colorată mai mare. Factorii luați în considerare sunt energia specifică, puterea specifică, siguranța, performanța, durata de viață și costul. Energia specifică în Wh / kg se referă la domeniul EV. Puterea specifică în W / kg se referă la accelerația EV. În special în cazul Sev, siguranța este un aspect critic. Parametrul de performanță reflectă capacitatea bateriei de a fi utilizată în condiții extreme de temperatură, de asemenea, un aspect important în aplicațiile auto. Durata de viață este o combinație de ciclu de viață și longevitate. Cost încearcă să capteze toate costurile aferente, inclusiv sistemele auxiliare pentru gestionarea termică, siguranța, Gestionarea bateriei și monitorizarea și necesitatea unei perioade de garanție extinse în Sev.

comparație de performanță pentru diverse chimie Li-ion de măsurare a adecvării pentru utilizarea în vehicule electrice. (Imagine: MDPI)

Lipo chemistries

un electrolit polimer are ca rezultat mai multe îmbunătățiri ale performanței, inclusiv densitate mare de energie și baterii ușoare. În funcție de structura straturilor de polimer, poate spori și siguranța bateriei. În comparație cu bateriile Li-ion convenționale, bateriile LiPo pot fi fabricate cu o gamă mai largă de densități specifice de energie (Wh/kg) și densități specifice de putere (W/kg), făcând bateriile LiPo mai flexibile într-o gamă mai largă de aplicații potențiale. Ca rezultat, tehnologia LiPo este utilizată în toate principalele chimii ale bateriilor cu litiu:

• baterie cu oxid de cobalt litiu (LCO)
• baterie ternară litiu-ion (NCA, NMC)
• baterie cu oxid de mangan litiu-ion (LMO)
• baterie cu fosfat de fier litiu (LFP)

Ragone complot Compararea Li-ion, LiPo (PLiON), și alte baterii reîncărcabile. (Imagine: MDPI)

aluminiu-aer și baterii polimer solide

baterii polimer aluminiu-aer sunt în curs de dezvoltare activă. Aceste modele cu densitate mare de energie au un separator de polimeri contactat direct cu anodul de litiu pentru a-l separa de catod. Ca și în alte baterii polimerice, separatorul împiedică scurtcircuitarea bateriei și absoarbe electrolitul lichid pentru a susține transportul ionilor și a completa circuitul electric.

din păcate, anodul de litiu poate forma dendrite în timpul ciclului bateriei. Aceste dendrite pot pătrunde în separatorul de polimeri și pot scurta bateria. Separatoare modificate sunt în curs de dezvoltare, care include straturi de oxid de grafen. Oxidul de grafen protejează anodul de contaminanți și previne fluctuațiile chimice de pe suprafața anodului de litiu. Oxidul de grafen funcționează împreună cu stratul de polimer pentru a opri contactul direct între electrolit și anodul de litiu fără a reduce semnificativ conductivitatea ionilor. Această structură combinată încetinește coroziunea electrolitului pe anod. Se speră că, în viitor, utilizarea a două tipuri de straturi pentru stabilizarea anodului de litiu va duce la baterii cu densitate energetică foarte mare, cu o durată de viață rezonabilă a ciclului.

celulele cu electroliți polimerici cu adevărat solizi (SPE) în locul membranelor gelificate de astăzi sunt, de asemenea, în curs de dezvoltare. Celulele LiPo de astăzi sunt considerate un sistem hibrid între un Li-ion convențional și o baterie Li-ion complet solidă. Membranele gelificate sunt sisteme hibride în care fazele lichide sunt conținute în matricea polimerică. Deși se pot simți uscate la atingere, pot conține până la 50% solvenți lichizi. Sistemele de astăzi sunt, de asemenea, numite sisteme de electrolit polimeric hibrid (HPE) care combină materialul polimeric, solventul lichid și sarea. Spe sunt în curs de dezvoltare, care sunt sisteme complet fără solvenți într-un mediu polimeric.

noua structură în stare solidă poate utiliza, de asemenea, catozi de tip de conversie a energiei specifice cu costuri reduse și ridicate, care nu sunt compatibili cu substanțele chimice ale bateriilor pe bază de lichide, cum ar fi litiu-ion. Un exemplu este un electrolit solid sulfurat proprietar care acceptă siliciu cu conținut ridicat și metal litiu în anod asociat cu catozi maturi din industrie și din punct de vedere comercial, inclusiv oxizi de cobalt litiu-nichel mangan (NMC). Noii catozi pot fi combinați cu litiu metal pentru a elimina cobaltul și nichelul și ar putea reduce costurile materialelor active ale catodului cu 90%.

o foaie de parcurs pentru dezvoltarea bateriei în stare solidă elimină cobaltul și nichelul din catod (extrema dreaptă). (Imagine: putere solidă)

au fost produse celule în stare solidă, livrând 2Ah folosind echipamente și procese litiu-ion standard în industrie. Producția comercială a unei celule anodice de siliciu cu conținut ridicat de 20Ah este așteptată până la sfârșitul anului 2021, urmând să urmeze 100ah în 2022.

rezumat

LiPos oferă mai multe îmbunătățiri de performanță în comparație cu ionii Li, inclusiv densitatea energetică mai mare și bateriile mai ușoare. În plus, Liposurile pot fi produse într-o varietate mai largă de forme și dimensiuni. Cu toate acestea, Liposurile de astăzi folosesc membrane gelificate, nu electroliți polimerici complet solizi (SPEs). Spe sunt în curs de dezvoltare și ar putea extinde avantajele de performanță ale LiPos în anumite aplicații. Bateriile polimerice din aluminiu-aer oferă potențialul pentru densități foarte mari de energie (rezultând intervale mai lungi pentru EV) și o durată de viață bună a ciclului. Bateriile cu litiu de format mare în stare solidă sunt la orizont pentru mai târziu în 2021.

tehnologii actuale de baterii Li-Ion în vehicule electrice și oportunități pentru progrese, MDPI
diferite tipuri de baterii litiu-polimer, Grepow
Introducere în tehnologia bateriei litiu-polimer, Jauch
baterie litiu-polimer, Wikipedia
fabricarea bateriilor litiu-ion, cercetarea TechSci
tipuri de litiu-ion, Universitatea bateriei