Войти
 Литий-полимерный аккумулятор, используемый для питания смартфона | |
| Удельная энергия | 100–265 Вт · ч /kg (0,36–0,95 МДж / кг) |
|---|---|
| Плотность энергии | 250–730 Вт · ч /L (0,90–2,63 МДж / L) |
A литий-полимерный аккумулятор, или правильнее литий-ионный полимерный аккумулятор (сокращенно LiPo, LIP, Li -poly, lithium-poly и другие), это аккумулятор, изготовленный по литий-ионной технологии с использованием полимера электролит вместо жидкого электролита. Полутвердые (гель ) полимеры с высокой проводимостью образуют этот электролит. Эти батареи обеспечивают более высокую удельную энергию, чем другие типы литиевых батарей, и используются в приложениях, где вес является важной характеристикой, например, мобильные устройства и радио. -управляемый самолет.
LiPo-элементы соответствуют истории литий-ионных и литий-металлических Ячейки, которые подверглись обширным исследованиям в течение 1980-х годов, достигнув значительного рубежа, когда в 1991 году Sony выпустили первый коммерческий цилиндрический литий-ионный элемент. После этого появились другие формы упаковки, в том числе формат плоского пакета.
Литий-полимерные элементы произошли от литий-ионных и литий-металлических батарей. Основное отличие состоит в том, что вместо жидкого литиевого -соли электролита (такого как LiPF 6 ), содержащегося в органическом растворителе (таком как EC /DMC / DEC ), в батарее используется твердый полимерный электролит (SPE), такой как поли (этиленоксид) (PEO), poly ( акрилонитрил) (PAN), поли (метилметакрилат) (PMMA) или поли (винилиденфторид) (PVdF).
Твердый электролит обычно можно разделить на три типа: сухой ТФЭ, гелеобразный ТФЭ и пористый ТФЭ. Сухой SPE был впервые использован в прототипах батарей примерно в 1978 г. Мишелем Арманом и в 1985 г. ANVAR и Elf Aquitaine из Франции и Hydro Quebec из Канады. С 1990 года несколько организаций, такие как Mead and Valence в США и GS Yuasa в Японии, разработали аккумуляторы с использованием гелевых SPE. В 1996 году Bellcore в США анонсировала перезаряжаемый литий-полимерный элемент с использованием пористого ТФЭ.
Типичный элемент состоит из четырех основных компонентов: положительный электрод, отрицательный электрод, сепаратор и электролит. Сам сепаратор может представлять собой полимер, такой как микропористая пленка из полиэтилена (PE) или полипропилена (PP); таким образом, даже если в элементе есть жидкий электролит, он все равно будет содержать «полимерный» компонент. В дополнение к этому положительный электрод можно дополнительно разделить на три части: оксид лития-переходного металла (например, LiCoO 2 или LiMn 2O4), проводящую добавку и полимерное связующее. из поли (винилиденфторида) (PVdF). Материал отрицательного электрода может состоять из тех же трех частей, только с углеродом вместо оксида лития-металла.
Так же, как и с другими литий-ионными элементами LiPos работают по принципу интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития из материала положительного электрода и материала отрицательного электрода, при этом жидкий электролит обеспечивает проводящую среду. Чтобы электроды не соприкасались друг с другом напрямую, между ними находится микропористый сепаратор, который позволяет только ионам, но не частицам электрода, перемещаться с одной стороны на другую.
Напряжение отдельного элемента LiPo зависит от его химического состава и варьируется от примерно 4,2 В (полностью заряженный) до примерно 2,7–3,0 В (полностью разряженный), где номинальное напряжение составляет 3,6 или 3,7 вольт (примерно среднее значение наивысшего и наименьшего значения). Для элементов на основе оксидов лития-металла (таких как LiCoO 2); для сравнения: от 1,8–2,0 В (в разряженном состоянии) до 3,6–3,8 В (в заряженном состоянии) для устройств на основе фосфата лития-железа (LiFePO 4).
Точные значения напряжения должны быть указаны в технических паспортах продукта с пониманием того, что элементы должны быть защищены электронной схемой, которая не позволит им перезарядиться или разрядиться во время использования.
LiPo аккумуляторные блоки с последовательно и параллельно соединенными элементами имеют отдельные выводы для каждой ячейки. Специализированное зарядное устройство может контролировать заряд для каждой ячейки, чтобы все ячейки были приведены в одно и то же состояние заряда (SOC).
Экспериментальная литий-ионная полимерная батарея, изготовленная Lockheed-Martin для НАСА В отличие от литий-ионных цилиндрических и призматических элементов, которые имеют жесткий металлический корпус, LiPo-элементы имеют гибкий корпус из фольги (полимерный ламинат ), поэтому они относительно свободны.
Небольшой вес является преимуществом, когда приложение требует минимального веса, как в случае радиоуправляемого самолета. Однако было установлено, что умеренное давление на стопку слоев, составляющих ячейку, приводит к увеличению сохранения емкости, поскольку контакт между компонентами максимален и предотвращается расслоение и деформация, что связано с увеличением сопротивления клетки и деградации.
Шестигранный литий-полимерный аккумулятор для подводных аппаратов производства Custom Cells Itzehoe GmbH LiPo-элементы обеспечивают производителям неоспоримые преимущества. Они могут легко изготавливать батареи практически любой желаемой формы. Например, могут быть выполнены требования к пространству и весу мобильных устройств и ноутбуков. У них также низкая скорость саморазряда, которая составляет около 5% в месяц.
Трехэлементные LiPo батареи для моделей RC LiPo-аккумуляторы теперь доступны почти повсеместно используется для питания радиоуправляемых самолетов, радиоуправляемых автомобилей и крупномасштабных моделей поездов, где преимущества меньшего веса и повышенной грузоподъемности и мощности оправдывают цену. Отчеты об испытаниях предупреждают о риске возгорания, если батареи не используются в соответствии с инструкциями.
LiPo-блоки также широко используются в страйкболе, где их более высокие токи разряда и лучшая плотность энергии по сравнению с более традиционными NiMH батареями имеет очень заметный прирост производительности (более высокая скорострельность). Высокие токи разряда повреждают контакты переключателя из-за образования дуги (вызывая окисление контактов и часто отложение нагара), поэтому рекомендуется использовать либо твердотельный переключатель MOSFET, либо Регулярно очищайте контакты спускового механизма.
Литий-полимерные батареи широко используются в мобильных устройствах, блоках питания, очень тонких портативных компьютерах, портативные медиаплееры, беспроводные контроллеры для игровых консолей, беспроводные периферийные устройства для ПК, электронные сигареты и другие приложения, где требуются малые форм-факторы и высокая плотность энергии перевешивает соображения стоимости.
Литий-ионные элементы в формате пакета исследуются для питания аккумуляторных электромобилей. Хотя можно использовать большое количество ячеек малой емкости для получения требуемых уровней мощности и энергии для управления транспортным средством, некоторые производители и исследовательские центры рассматривают для этой цели литий-ионные элементы большого формата емкостью более 50 Ач.. При более высоком содержании энергии на элемент количество элементов и электрических соединений в аккумуляторной батарее, безусловно, уменьшится, но опасность, связанная с отдельными элементами такой высокой емкости, может быть выше.
Hyundai Motor Company использует аккумулятор этого типа в некоторых из своих гибридных автомобилей, а также Kia Motors в своих электрических аккумуляторах Kia Soul. Bolloré Bluecar, который используется в схемах каршеринга в нескольких городах, также использует этот тип батареи.
Производятся легкие самолеты и самозапускающиеся планеры, такие как Lange Antares 20E Alisport Silent 2 Electro и Pipistrel WATTsUP. Некоторые более крупные планеры, такие как Schempp-Hirth Ventus-2, используют технологию самоподдерживающихся двигателей
Литий-ионный аккумулятор Apple iPhone 3GS., который расширился из-за короткого замыкания. Элементы LiPo подвержены тем же проблемам, что и другие литий-ионные элементы. Это означает, что перезаряд, чрезмерный разряд, перегрев, короткое замыкание, раздавливание и проникновение гвоздя - все это может привести к катастрофическому отказу, включая разрыв пакета, утечку электролита и
Все литий-ионные элементы расширяются при высоком уровне уровня заряда (SOC) или избыточного заряда из-за небольшого испарения электролита. Это может привести к расслоению и, следовательно, к плохому контакту внутренних слоев элемента, что, в свою очередь, снижает надежность и общий срок службы элемента. Это очень заметно для LiPos, которые могут заметно надуваться из-за отсутствия жесткого футляра, сдерживающего их расширение.
Для сравнения с ячейками LFP по этому вопросу см. Безопасность элементов LiFe
Элементы с твердыми полимерными электролитами не достигли полной коммерциализации и все еще являются предметом исследования. Прототипом элементов этого типа можно считать традиционную литий-ионную батарею (с жидким электролитом) и полностью пластиковую твердотельную литий-ионную батарею.
Самый простой подход - использовать полимерную матрицу, такую как поливинилиденфторид (PVdF) или поли (акрилонитрил) (PAN), гелеобразную с использованием обычных солей и растворителей, таких как LiPF 6 в EC /DMC / DEC.
Ниши упоминает, что Sony начала исследования литий-ионных элементов с гелеобразными полимерными электролитами (GPE) в 1988 году, до коммерциализации жидких литий-ионный элемент с электролитом в 1991 году. В то время полимерные батареи были многообещающими, и казалось, что полимерные электролиты станут незаменимыми. В конце концов, этот тип элементов появился на рынке в 1998 году. Однако Скросати утверждает, что в самом строгом смысле гелевые мембраны нельзя классифицировать как «настоящие» полимерные электролиты, а скорее как гибридные системы, в которых жидкие фазы содержатся внутри полимера. матрица. Хотя эти полимерные электролиты могут быть сухими на ощупь, они все же могут содержать от 30% до 50% жидкого растворителя. В связи с этим, как на самом деле определить, что такое «полимерный аккумулятор», остается открытым вопросом.
Другие термины, используемые в литературе для этой системы, включают гибридный полимерный электролит (HPE), где «гибрид» означает комбинацию полимерной матрицы, жидкого растворителя и соли. Именно такую систему Bellcore использовал для разработки ранней литий-полимерной ячейки в 1996 году, которая получила название «пластиковый» литий-ионный элемент (PLiON) и впоследствии была коммерциализирована в 1999 году.
Твердый полимерный электролит (ТПЭ) представляет собой раствор соли в полимерной среде, не содержащий растворителей. Это может быть, например, соединение бис (фторсульфонил) имида лития (LiFSI) и высокомолекулярного поли (этиленоксида) (PEO) или высокомолекулярный поли (триметиленкарбонат) (PTMC
Характеристики этих предлагаемых электролитов обычно измеряются в конфигурации полуэлемента относительно электрода из металлического лития, что делает систему «литий-металлический "элемент, но он также был протестирован с обычным литий-ионным катодным материалом, таким как литий-железо-фосфат (LiFePO 4).
Другие попытки разработать ячейку с полимерным электролитом включают использование неорганических ионных жидкостей, таких как тетрафторборат 1-бутил-3-метилимидазолия ([BMIM] BF 4) в качестве пластификатора в микропористой полимерной матрице, такой как поливинилиденфторид-гексафторпропилен / поли (метилметакрилат) (ПВДФ-ГФП / ПММА).
Новая технология литий-ионных аккумуляторных элементов включает добавку кремний - графен, которая помогает сохранить положительный полюс во время разряда, тем самым увеличивая срок службы элемента и цикл жизни. Неотъемлемым побочным эффектом при работе литий-ионного элемента с напряжением 3,7 В выше 4,2 В является сокращение срока службы с повышенным внутренним сопротивлением.
Исследования показали, что плохое сохранение емкости и сокращение срока службы литий-ионного аккумулятора. аккумулятор экспоненциально увеличивается при заряде выше 4,2 В, в частности, из-за коррозии положительного вывода. Добавка кремний-графен помогает уменьшить коррозию положительного вывода при зарядке до напряжения 4,35 В или более.
Преимущество зарядки при максимальном напряжении 4,35 В заключается в увеличении плотности энергии примерно на 10% по сравнению с зарядкой традиционного элемента 3,7 В того же размера и веса до 4,2 В. • Литий-ионные элементы с маркировкой «совместимые с высоким напряжением» при заряде до 4,35 В имеют срок службы, сопоставимый со стандартными элементами 3,7 В. Стандартный аккумулятор 3,7 В никогда не следует заряжать выше 4,2 В, поскольку это может привести к повреждению или возгоранию.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с литий-полимерными батареями. |
