skillnaden mellan litiumjon-och litiumpolymerbatterier

ett litiumjonpolymerbatteri (även känt som Li-poly, litium-poly, PLiON och andra namn) är ett uppladdningsbart Li-ion-batteri med en polymerelektrolyt i den flytande elektrolyten som används i konventionella Li-ion-batterier. Det finns en mängd olika LiPo-kemikalier tillgängliga. Alla använder en hög ledningsförmåga gel polymer som elektrolyt. LiPos ger högre specifika energier än andra litiumbatterier, som ofta används i system där vikt är en viktig faktor, såsom mobila enheter, drönare och vissa elfordon. Denna FAQ börjar med en högnivåjämförelse av Li-ion och LiPo-batterier, följt av en detaljerad titt på de sex grundläggande litiumbatterikemikerna som är mest lämpliga för användning i LiPo-batterier. Den stängs med en blick in i framtiden och den möjliga utvecklingen av aluminium-luftpolymerbatterier och solid state-batterier.

alla litiumbatterier inkluderar en barriär för att separera anoden och katoden samtidigt som det möjliggör rörelse av joner mellan elektroderna. I en LiPo innehåller polymerseparatorn också elektrolyten. Dessutom kan polymerseparatorer ge en extra funktion som fungerar som” avstängningsseparatorer ” som kan stänga av batteriet om det blir för varmt under laddning eller urladdning. Avstängningsseparatorer är flerskiktsstrukturer med minst ett polyetenskikt som kan stoppa strömflödet när temperaturen stiger för högt och minst ett polypropenskikt som fungerar som en form av mekaniskt stöd för separatorn.

interkalering och dekalering av litiumjoner från en positiv elektrod och en negativ elektrod. Förutom polymerseparatorn fungerar LiPos på samma princip som Li-joner. De är dock förpackade på helt olika sätt.

Li-joner levereras vanligtvis i ett rostfritt stål eller aluminiumfodral. Väskan är oftast cylindrisk men kan vara knappformad eller rektangulär (prismatisk). Fallet är relativt kostsamt att producera och tenderar att begränsa de storlekar och former som finns tillgängliga. Men det är också robust, vilket hjälper till att skydda batteriet från skador. Väskan är förseglad med en lasersvetsprocess.

Litiumjonbatterikonstruktionen är relativt komplicerad med ett stort antal komponenter. (Bild: TechSci Research)

LiPos är förpackade i en aluminiumfolie “påse” och kallas mjuka eller påseceller. Påsen är mestadels prismatisk och lättare att tillverka, och lägre kostnad än rostfritt stål eller aluminium fall av Li-joner. Denna typ av konstruktion möjliggör också produktion av batterier med olika anpassade konfigurationer. De andra komponenterna i LiPos inkluderar wafer-tunna skikt (< 100 OC) som kan massproduceras till en relativt låg kostnad. Byte av foliepåsen mot metallen kan resultera i hög energitäthet och lätta batterier. Både stora format och höjder på mindre än 1 mm kan uppnås, men cellerna kräver noggrann mekanisk hantering.

litiumpolymer batteri påse konstruktion. (Bild: Jauch)

användningen av LiPos är föremål för många av samma utmaningar som användare av Li-ion måste kämpa med, inklusive överladdning, överladdning, övertemperaturdrift och interna shorts. Dessutom kan krossning eller spikpenetration av LiPo-påsarna leda till katastrofala fel som sträcker sig från påsebrott till elektrolytläckor och bränder.

liksom Li-joner kan LiPos expandera vid höga nivåer av överladdning på grund av förångningen av elektrolyten. Förångning av elektrolyten kan orsaka delaminering, vilket orsakar dåliga kontakter mellan cellens inre lager, vilket minskar tillförlitligheten och cykelns livslängd. Denna expansion kan vara särskilt märkbar för LiPos, som bokstavligen kan blåsa upp. Det kan också orsaka strukturella skador på värdsystemet.

tabellen nedan jämför spänningar och typiska tillämpningar av de sex grundläggande litiumbatterikemikerna. Andra egenskaper hos dessa batterier inkluderar:

• LCO-200wh / kg, leverera en hög effekt, men med avvägning av relativt korta liv, låg effekt betyg, och låg termisk stabilitet.
• LFP-120wh / kg, har lång livslängd och stabilitet vid höga driftstemperaturer.
• LMO – 140wh/kg, katoder är baserade på manganoxidkomponenter som är rikliga, billiga, giftfria och ger god termisk stabilitet.
• NCA-250wh / kg, erbjuder hög specifik energi och lång livslängd.
• NMC – 200wh/kg, varierande proportionerna av de kemiska beståndsdelarna möjliggör utveckling av batterier optimerade som kraft-eller energiceller. På grund av sin flexibilitet är det ett av de mest framgångsrika litiumbatteriets kemiska system.
• LTO-80wh / kg, lägsta specifika energi, men kan laddas snabbt, laddas ur med upp till 10 gånger sin nominella kapacitet och är säker.

jämförelse av litiumbatterispänningar och applikationer. (Bild: TechSci Research)

Observera att NMC -, LCO-och NCA-batterierna innehåller kobolt som hjälper till att ge högre effektfunktioner. De kan ge stora mängder ström i ett litet paket men kan vara mer mottagliga för termiska händelser som kan orsaka säkerhetsproblem.

nästa figur innehåller spindeldiagram som jämför de grundläggande typerna av Li-batterier baserat på deras lämplighet för användning i elfordon (ev). I dessa spindeldiagram har batterier som är bättre lämpade för elbilar ett större färgat område. De faktorer som beaktas är specifik energi, specifik kraft, säkerhet, prestanda, livslängd och kostnad. Specifik energi i Wh / kg avser EV-intervallet. Specifik effekt i W / kg avser ev-acceleration. I synnerhet när det gäller elfordon är säkerhet ett kritiskt övervägande. Prestandaparametern återspeglar batteriets förmåga att användas under extrema temperaturförhållanden, vilket också är en viktig faktor i fordonsapplikationer. Livslängd är en kombination av livslängd och livslängd. Kostnadsförsök att fånga alla relaterade kostnader, inklusive tillhörande system för termisk hantering, säkerhet, batterihantering och övervakning, och behovet av en förlängd garantiperiod i elbilar.

Prestandajämförelse för olika Li-ion-kemikalier som mäter lämplighet för användning i elfordon. (Bild: MDPI)

LiPo chemistries

en polymerelektrolyt resulterar i flera prestandaförbättringar, inklusive hög energitäthet och lätta batterier. Beroende på strukturen hos polymerskikten kan det också förbättra batterisäkerheten. Jämfört med konventionella Li-ion-batterier kan LiPo-batterier tillverkas med ett bredare spektrum av specifika energitätheter (Wh/kg) och specifika effektdensiteter (W/kg), vilket gör LiPo-batterier mer flexibla över ett bredare spektrum av potentiella applikationer. Som ett resultat, LiPo-teknik används över alla de viktigaste litiumbatteri kemierna:

• Litiumkoboltoxidbatteri (LCO)
• litiumjon ternärt batteri (NCA, NMC)
• Litiumjonmanganoxidbatteri (LMO)
• Litiumjärnfosfatbatteri (LFP)

Ragone plot jämföra Li-ion, LiPo (PLiON), och andra uppladdningsbara batterier. (Bild: MDPI)

aluminium-luft och fasta polymerbatterier

aluminium-luft polymerbatterier är under aktiv utveckling. Dessa konstruktioner med hög energitäthet har en polymerseparator som är direkt i kontakt med litiumanoden för att separera den från katoden. Som i andra polymerbatterier förhindrar separatorn batteriet från kortslutning och absorberar flytande elektrolyt för att stödja jontransport och slutföra den elektriska kretsen.

tyvärr kan litiumanoden bilda dendriter under battericykling. Dessa dendriter kan tränga in i polymerseparatorn och förkorta batteriet. Modifierade separatorer är under utveckling som inkluderar grafenoxidlager. Grafenoxiden skyddar anoden från föroreningar och förhindrar kemiska fluktuationer på ytan av litiumanoden. Grafenoxiden arbetar tillsammans med polymerskiktet för att stoppa direktkontakt mellan elektrolyten och litiumanoden utan att signifikant minska jonledningsförmågan. Denna kombinerade struktur saktar elektrolytkorrosion på anoden. Förhoppningen är att i framtiden, användning av två typer av lager för att stabilisera litiumanoden kommer att resultera i mycket hög energitäthet batterier med rimliga cykel liv.

celler med verkligt fasta polymerelektrolyter (SPE) i stället för dagens gelade membran är också under utveckling. Dagens LiPo-celler betraktas som ett’ hybrid ‘ -system mellan en konventionell Li-ion och ett helt solid-state Li-ion-batteri. Gelade membran är hybridsystem där vätskefaserna finns i polymermatrisen. Medan de kan känna sig torra vid beröring kan de innehålla upp till 50% flytande lösningsmedel. Dagens system kallas också hybridpolymerelektrolyt (HPE) system som kombinerar polymermaterialet, det flytande lösningsmedlet och saltet. SPEs är under utveckling som är helt lösningsmedelsfria system i ett polymermedium.

den nya solid state-strukturen kan också använda lågkostnads-och högspecifika energiomvandlingstypkatoder som inte är kompatibla med vätskebaserade batterikemikalier som litiumjon. Ett exempel är en proprietär sulfidfast elektrolyt som stöder kisel-och litiummetall med hög halt i anoden parat med industristandard och kommersiellt mogna katoder, inklusive litiumnickelmangankoboltoxider (NMC). De nya katoderna kan kombineras med litiummetall för att avlägsna kobolt och nickel och kan minska katodens aktiva materialkostnader med 90%.

en färdplan för utveckling av solid state-batteri tar bort kobolt och nickel från katoden (längst till höger). (Bild: Solid Power)

Solid-state-celler har producerats och levererar 2AH med hjälp av industristandard litiumjonutrustning och processer. Kommersiell produktion av en 20Ah höghalt kiselanodcell förväntas i slutet av 2021, med 100AH förväntas följa 2022.

sammanfattning

LiPos erbjuder flera prestandaförbättringar jämfört med Li-joner, inklusive högre energitäthet och lättare batterier. Dessutom kan LiPos produceras i en bredare mängd olika former och storlekar. Dagens LiPos använder emellertid gelade membran, inte helt fasta polymerelektrolyter (SPEs). SPEs är under utveckling och kan förlänga prestandafördelarna med LiPos i vissa applikationer. Aluminium-luftpolymerbatterier erbjuder potentialen för mycket höga energitätheter (vilket resulterar i längre intervall för EV) och bra cykelliv. Helt solid-state storformat litiumbatterier är i horisonten för senare 2021.

nuvarande Li-Ion batteriteknik i elfordon och möjligheter till framsteg, MDPI
olika typer av litiumpolymerbatterier, Grepow
introduktion till Litiumpolymerbatteriteknik, Jauch
litiumpolymerbatteri, Wikipedia
tillverkning av litiumjonbatterier, TechSci forskning
typer av litiumjon, batteri universitet