Литий полимерные аккумуляторы хим состав

Особенности литий─полимерных аккумуляторов и правила их эксплуатации

Литий─полимерный аккумулятор представляет собой модифицированный вариант литий─ионных батарей. Главное отличие заключается в применении полимерного материала, исполняющего роль электролита. В этот полимер добавляются токопроводящие включения с соединениями лития. Подобные аккумуляторы в последние годы активно развиваются и используются в мобильных телефонах, планшетах, ноутбуках, радиоуправляемых моделях и другой технике. Несмотря на то что литиевые аккумуляторы неспособны обеспечивать высокие токи разрядки, некоторые специальные разновидности полимерных АКБ могут отдавать ток, значительно превышающий их ёмкость. Поскольку литий─полимерные аккумуляторы быстро распространяются на рынке, нужно иметь представление об их устройстве, правилах эксплуатации и технике безопасности при обращении с ними. Об этом речь пойдёт в нашем сегодняшнем материале.

Устройство и основные особенности Li─Pol аккумуляторов

Преимуществом замены жидкого органического электролита в литий─ионных аккумуляторах на полимерный является повышение безопасности эксплуатации АКБ. Это очень важно для аккумуляторов литиевого типа. Именно безопасное использование в коммерческих целях с самого начала сдерживало их развитие. Кроме того, полимерный электролит даёт значительно больше свободы при выборе формы аккумуляторной батареи.

• С гелеобразным гомогенным электролитом. Он получается в результате внедрения в структуру полимера солей лития;
• С сухим полимерным электролитом. Этот тип изготавливается на основе полиэтиленоксида с разными солями лития;
• Электролит в виде микропористой полимерной матрицы, в которой сорбированы неводные растворы литиевых солей.

Если сравнивать полимерный и жидкий электролит, то стоит отметить меньшую ионную проводимость первого. Она существенно снижается при отрицательных температурах. Так, что одна проблема была в том, чтобы подобрать состав для электролита с высокой проводимостью. А вторая важная задача была в расширении диапазона рабочих температур полимерных АКБ. Модели литий─полимерных аккумуляторов, используемых в современной технике, по своим характеристикам не уступают Li─Ion.

Поскольку в полимерной батарее отсутствует жидкий электролит, их безопасность при эксплуатации значительно выше. Кроме того, они могут выполняться практически любой формы и конфигурации.

Есть разработки полимерных АКБ с металлическим анодом. Учёным удалось добиться высокой плотности тока и значительного расширения рабочего интервала температур. Эти разновидности аккумуляторов также могут использоваться в различной портативной электронике и бытовой технике. Выпуском подобных аккумуляторов уже занимаются многие ведущие компании.

Причём у разных производителей могут отличаться материалы электродов, состав электролита и сама технология сборки. По этой причине сильно отличаются и параметры этих АКБ. Однако все производители сходятся в том, что стабильность работы Li─Pol сильное влияние оказывает однородность полимерного электролита. А она зависит от температуры полимеризации и соотношения компонентов.

Сейчас уже есть множество проведённых экспериментов, которые доказывают более высокий уровень безопасности полимерных АКБ по сравнению с ионными. Это касается перезаряда, ускоренного разряд, вибрации, сжатия, короткого замыкания, прокалывания литий─полимерных батарей. Так, что этот вид аккумуляторов имеет самые хорошие перспективы развития. Ниже приведены результаты тестов на безопасную эксплуатацию Li─Pol аккумуляторов.

Вид испытаний	Аккумулятор с гель-полимерным электролитом	Аккумулятор с жидким электролитом
Прокол иглой	Не было изменений	Взрыв, дым, протечка электролита, повышение температуры до 250°С
Нагрев до 200°С	Не было изменений	Взрыв, протечка электролита
Ток короткого замыкания	Не было изменений	Протечка электролита, повышение температуры на 100°С
Перезаряд (600%)	Вздутие	Взрыв, протечка электролита, повышение температуры на 100°С
Вид испытаний	Аккумулятор с гель-полимерным электролитом	Аккумулятор с жидким электролитом

В чём же разница между Li─Ion и Li─Pol аккумуляторными батареями. Они относятся к литиевым аккумуляторам и близки по своим электрическим характеристикам. Но полимерные модели используют твёрдый электролит. Гелевая составляющая вносится в электролит для снижения внутреннего сопротивления батареи и стимуляции ионообменных процессов.
Вернуться к содержанию

Характеристики Li─Pol аккумуляторных батарей

По своей энергоёмкости литий─полимерные аккумуляторные батареи имеют удельную энергоёмкость в 4─5 раз больше никель─кадмиевых и в 3─4 раза выше никель─металлогидридных. Оба этих типа относятся к щелочным АКБ. Сравнение производится именно с ними, поскольку в основном литиевые батареи заменили щелочные в мобильной электронике.

Следует отметить, что среди полимерных батарей для коммерческого использования есть 2 крупные категории. Это обычные и быстроразрядные. Последние ещё часто называют Hi discharge. Различие между этими группами заключается в максимально допустимом разрядном токе. Он может указываться в абсолютной величине или кратно номинальной ёмкости.

Например, 3С. Для обычных аккумуляторных батарей максимальный ток разряда не более 3─5С. Быстроразрядные модели имеют максимальный ток разряда 8─10С. Масса быстроразрядных АКБ приблизительно на 20 процентов выше, чем у стандартных моделей. В маркировке таких батарей присутствуют символы HC или HD.

KKM2500 обозначает обычную модель ёмкостью 2500 мАч, а маркировка KKM2000HD расшифровывается, как быстроразрядный аккумулятор ёмкостью 2000 мАч. Быстроразрядные модели не используются в бытовой технике и потребительской электронике. АКБ из сотовых телефонов и планшетов не выдерживают высоких разрядных токов, и поэтому оснащены защитой от таких режимов эксплуатации.
Вернуться к содержанию

Сферы применения литий─полимерных АКБ

Области применения литий─полимерных аккумуляторов вытекают из задач, которые ставились при их разработке. Это увеличение времени работы устройства и уменьшение его веса. Стандартные Li─Pol модели работают в разной электронике, имеющей невысокие токи потребления. Это ноутбуки, смартфоны, электронные книги, планшеты.

Эксплуатация литий─полимерных аккумуляторных батарей

Безопасность

Аккумуляторы литиевого типа в целом, и полимерные в частности, требуют довольно деликатного обращения при эксплуатации. Что требуется запомнить при эксплуатации Li─Pol аккумуляторных батарей:

• Вреден излишний заряд аккумулятора (выше 4,2 вольта на один аккумуляторный элемент);
• Нельзя допускать короткого замыкания;
• Недопустим разряд токами, которые приводят к нагреву аккумулятора более 60 градусов Цельсия;
• Нельзя разгерметизировать АКБ;
• Нельзя разряжать аккумулятор ниже 3 вольт;
• Недопустим нагрев выше 60 градусов;
• Не допускается хранение в разряженном виде.

В связи с этим можно дать несколько рекомендаций по безопасному использованию литий─полимерных аккумуляторов. Для начала следует приобрести качественное зарядное устройство и выставлять на нём корректные настройки. Кроме того, рекомендуется применять разъёмы, которые не допускают короткое замыкание. Обязательно контролируйте ток, который потребляется устройством.

Ещё одной причиной выхода литиевых АКБ из строя, является разгерметизация. Внутрь полимерной аккумуляторной банки ни в коем случае не должен проникнуть воздух. Изначально корпус герметичен и его не следует подвергать ударам, ронять. Если вы занимаетесь пайкой выводов, то делать это нужно крайне аккуратно.

Перед тем как отправить на хранение полимерную батарею, её рекомендуется зарядить наполовину. Хранить аккумулятор следует в прохладном месте без попадания на него солнечных лучей. Как и все аккумуляторные батареи, литий─полимерные имеют саморазряд, но он меньше, чем у свинцовых или щелочных.
Вернуться к содержанию

Зарядка

Процесс зарядки полимерных аккумуляторов аналогичен зарядке ионных и выполняется достаточно просто. Это делается при постоянном напряжении 4,2 вольта на один элемент с верхним порогом по току 1C. Некоторые «силовые» модели АКБ можно заряжать током до 5C. Зарядка завершается после падения тока до 0,2С. При токе 1C набирается около 80 процентов ёмкости батареи. На полную зарядку Li─Pol аккумулятора требуется примерно 2 часа. Зарядное устройство должно обеспечивать высокую точность поддерживаемого напряжения в конце процесса зарядки. Допуск не более 0,01 вольта. На рынке зарядных устройств (ЗУ) имеется две категории. Простые зарядки по цене 20─50$, которые заряжают только литиевые АКБ. И универсальные ЗУ по цене 80─400$, с помощью которых можно заряжать несколько типов аккумуляторов.

Более дорогие устройства имеют расширенные возможности. Они отслеживают и выводят на информационный дисплей ток, напряжение, ёмкость, набранную аккумулятором.

Это позволяет им более точно отслеживать стадии процесса зарядки и его завершение. Пользователю остаётся только установить число банок и ток заряда. Остальное ЗУ сделает самостоятельно.

Источник

Литий-полимерный аккумулятор — Lithium polymer battery

Удельная энергия 100–265 Вт · ч / кг (0,36–0,95 МДж / кг) Плотность энергии 250–730 Вт · ч / л (0,90–2,63 МДж / л)

Батарея полимера лития , или более правильно литий-ионный полимерный аккумулятор (сокращенно LiPo , LIP , Li-поли , литий-поли и другие), является аккумуляторная батарея из литий-ионной технологии с использованием полимерного электролита вместо жидкого электролита. Этот электролит образуют полутвердые ( гелевые ) полимеры с высокой проводимостью . Эти батареи обеспечивают более высокую удельную энергию, чем другие типы литиевых батарей, и используются в приложениях, где вес является важной характеристикой, например, в мобильных устройствах , радиоуправляемых самолетах и некоторых электромобилях .

СОДЕРЖАНИЕ

История

Ячейки LiPo следуют истории литий-ионных и литий-металлических элементов, которые подверглись обширным исследованиям в 1980-х годах, достигнув важной вехи с выпуском первого коммерческого цилиндрического литий-ионного элемента Sony в 1991 году. После этого появились другие формы упаковки, в том числе плоский формат мешочка.

Происхождение дизайна и терминология

Литий-полимерные элементы произошли от литий-ионных и литий-металлических батарей . Основное отличие состоит в том, что вместо жидкого литиево- солевого электролита (такого как LiPF ₆ ), содержащегося в органическом растворителе (таком как EC / DMC / DEC ), в батарее используется твердый полимерный электролит (SPE), такой как поли (этилен). оксид) (PEO), поли (акрилонитрил) (PAN), полиметилметакрилат (PMMA) или поливинилиденфторид (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 году Мишелем Арманом , в 1985 году — ANVAR и Elf ​​Aquitaine из Франции и Hydro Quebec из Канады. С 1990 года несколько организаций, такие как Mead и Valence в США и GS Yuasa в Японии, разработали батареи с использованием гелевых SPE. В 1996 году компания Bellcore в США анонсировала перезаряжаемый литий-полимерный элемент с использованием пористого ТФЭ.

Типичная ячейка состоит из четырех основных компонентов: положительного электрода , отрицательного электрода, сепаратора и электролита . Сам сепаратор может быть полимером , таким 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 ₂ O ₄ ), проводящую добавку и полимерное связующее из поливинилиденфторида. (ПВдФ). Материал отрицательного электрода может состоять из тех же трех частей, только с углеродом, заменяющим оксид лития-металла.

Принцип работы

Как и другие литий-ионные элементы, LiPos работает по принципу интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития из материала положительного и отрицательного электродов, при этом жидкий электролит обеспечивает проводящую среду. Чтобы электроды не касались друг друга напрямую, между ними находится микропористый сепаратор, который позволяет только ионам, а не частицам электрода перемещаться с одной стороны на другую.

Напряжение и состояние заряда

Напряжение одного 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 В (примерно среднее значение самого высокого и самого низкого значение). Для элементов на основе оксидов лития-металла (например, 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 чрезмерно заряжаться или разряжаться при использовании.

Батарейные блоки LiPo с элементами, соединенными последовательно и параллельно, 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).

Давление на ячейки LiPo

В отличие от литий-ионных цилиндрических и призматических элементов, которые имеют жесткий металлический корпус, элементы LiPo 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 импеданса ячейки и деградацией.

Среднее количество циклов

Зарядка / разрядка при 0,5 ° C / 0,5 ° C, остаточная емкость 80% после 500 циклов.

Приложения

Элементы LiPo предоставляют производителям неоспоримые преимущества. Они могут легко производить батареи практически любой желаемой формы. Например, могут быть выполнены требования к габаритам и весу мобильных устройств и ноутбуков . Также у них низкий уровень саморазряда, который составляет около 5% в месяц.

Радиоуправляемое оборудование и летательные аппараты

Литий-полимерные батареи теперь почти повсеместно используются для питания радиоуправляемых самолетов , радиоуправляемых автомобилей и крупномасштабных моделей поездов, где преимущества меньшего веса и увеличенной емкости и мощности оправдывают свою цену. Отчеты об испытаниях предупреждают об опасности возгорания, если батареи не используются в соответствии с инструкциями.

Блоки LiPo также широко используются в страйкболе , где их более высокие токи разряда и лучшая плотность энергии по сравнению с более традиционными NiMH батареями имеют очень заметный прирост производительности (более высокая скорострельность). Высокие токи разряда действительно повреждают контакты переключателя из-за дуги (вызывая окисление контактов и часто отложение нагара), поэтому рекомендуется либо использовать твердотельный переключатель MOSFET, либо регулярно очищать контакты триггера.

Персональная электроника

Батареи LiPo широко используются в мобильных устройствах , блоках питания , очень тонких портативных компьютерах , портативных медиаплеерах , беспроводных контроллерах для игровых консолей, беспроводных периферийных устройствах ПК, электронных сигаретах и других приложениях, где требуются малые форм-факторы и высокая плотность энергии перевешивает затраты. соображения.

Электрические транспортные средства

Hyundai Motor Company использует аккумулятор этого типа в некоторых своих аккумуляторных электрических и гибридных транспортных средствах , а также Kia Motors в своем электрическом аккумуляторе Kia Soul . Bolloré Bluecar , который используется в схемах совместного автомобиля в ряде городов, также использует этот тип батареи.

Системы ИБП

Литий-ионные батареи становятся все более распространенным явлением в системах ИБП . Они обладают многочисленными преимуществами по сравнению с традиционными батареями VRLA, а благодаря улучшениям в стабильности и безопасности доверие к этой технологии растет. Их соотношение мощности к размеру и весу рассматривается как главное преимущество во многих отраслях, где требуется критически важное резервное питание, включая центры обработки данных, где пространство часто не хватает. Более длительный срок службы, полезная энергия (глубина разряда) и тепловой разгон также рассматриваются как преимущество использования Li-po аккумуляторов по сравнению с аккумуляторами VRLA.

Безопасность

Элементы LiPo подвержены тем же проблемам, что и другие литий-ионные элементы. Это означает, что перезаряд, чрезмерный разряд, перегрев, короткое замыкание , раздавливание и проникновение гвоздей могут привести к катастрофическому отказу, включая разрыв пакета, утечку электролита и возгорание.

Все литий-ионные элементы расширяются при высоком уровне заряда (SOC) или избыточном заряде 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 вздуваться из-за отсутствия жесткого футляра, сдерживающего их расширение.

Для сравнения с клетками LFP по этому вопросу см. Безопасность клеток LiFe.

Литиевые элементы с твердым полимерным электролитом

Элементы с твердыми полимерными электролитами не достигли полной коммерциализации и все еще являются предметом исследований. Прототипы элементов этого типа можно рассматривать как нечто среднее между традиционной литий-ионной батареей (с жидким электролитом) и полностью пластиковой твердотельной литий-ионной батареей .

Самый простой подход — использовать полимерную матрицу, такую ​​как поливинилиденфторид (PVdF) или поли (акрилонитрил) (PAN), загущенную обычными солями и растворителями, такими 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 литий-ионных элементов с жидким электролитом в 1991 году. В то время полимерные батареи были многообещающими, и казалось, что полимерные электролиты станут незаменим. В конце концов, этот тип ячейки 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 компания Bellcore использовала в 1996 году для разработки первой литий-полимерной ячейки, которая получила название «пластиковая» литий-ионная ячейка (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).

Производительность этих предложенных электролитов обычно измеряется в полу-клеточной конфигурации против электрода металлического лития , что делает систему А « литий-металл » клеток, но она также была испытана с общим литий-ионного катода материал , такой 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 сополимер поливинилиденфторида и гексафторпропилена. / поли (метилметакрилат) (ПВДФ-ГФП / ПММА).

Источник