Litiumpolymerbatteri

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigering Hopp til søk
Litiumpolymerbatteri
Litiumpolymerbatteri
Informasjon
NavnLitiumpolymerbatteri
Spesifikk energi100–265 W·t/kg(0.36–0.95 MJ/kg)
Energi tetthet250–730 W·t/L(0.90–2.63 MJ/L)

Et litiumpolymerbatteri, eller mer korrekt litium-ion-polymerbatteri (forkortet LiPo, LIP, Li-poly, litium-poly og andre), er et oppladbart batteri av litium-ionteknologi som bruker en polymerelektrolytt i stedet for en flytende elektrolytt. Halvfast (gel) polymerer med høy ledningsevne danner denne elektrolytten. Disse batteriene gir høyere spesifikk energi enn andre litiumbatterityper og brukes i applikasjoner der vekt er en kritisk funksjon, for eksempel mobile enheter, radiostyrte fly og noen elektriske kjøretøyer.[1]

Historie[rediger | rediger kilde]

LiPo-celler følger historien om litiumion- og litiummetallceller som gjennomgikk omfattende undersøkelser i løpet av 1980-tallet, og nådde en betydelig milepæl med Sonys første kommersielle sylindriske Li-ion-celle i 1991.[2][3] Etter det utviklet andre emballasjeformer seg, inkludert den knappbatteriet.

Design opprinnelse og terminologi[rediger | rediger kilde]

Litiumpolymerceller har utviklet seg fra litiumion- og litiummetallbatterier. Den primære forskjellen er at i stedet for å bruke en flytende litiumsaltelektrolytt (for eksempel LiPF6) som holdes i et organisk løsningsmiddel (som EC/DMC/DEC), bruker batteriet en solid polymerelektrolytt (SPE), slik som polyetylenglykol(PEO), polymetylmetakrylat (PMMA) eller polyvinylidenfluorid (PVdF).

Den faste elektrolytten kan vanligvis klassifiseres som en av tre typer: tørr SPE, gelert SPE og porøs SPE. Det tørre SPE var den første som ble brukt i prototypebatterier, rundt 1978 av Michel Armand[4][5], og 1985 av ANVAR og Elf Aquitaine i Frankrike, og Hydro Quebec i Canada. [6][4] Fra 1990 utviklet flere organisasjoner som Mead og Valence i USA og GS Yuasa i Japan batterier ved bruk av gelerte SPE-er.[6] I 1996 kunngjorde Bellcore i USA en oppladbar litiumpolymercelle ved bruk av porøs SPE.[6]

En typisk celle har fire hovedkomponenter: positiv elektrode, negativ elektrode, separator og elektrolytt. Separatoren i seg selv kan være en polymer, slik som en mikroporøs film av polyetylen (PE) eller polypropylen (PP); således, selv når cellen har en flytende elektrolytt, vil den fremdeles inneholde en "polymer" komponent. I tillegg til dette kan den positive elektroden deles videre i tre deler: litiumovergangsmetalloksid (som LiCoO2 eller LiMn2O4), et ledende tilsetningsstoff og et polymerbindemiddel av polyvinylidenfluorid (PVdF).[7][8] Det negative elektrodematerialet kan ha de samme tre delene, bare med karbon som erstatter litiummetalloksid.[7][8]

Prinsipp[rediger | rediger kilde]

Akkurat som med andre litiumionceller, fungerer LiPos på prinsippet om innkalkering og avkalking av litiumioner fra et positivt elektrodemateriale og et negativt elektrodemateriale, hvor væskeelektrolytten gir et ledende medium. For å forhindre at elektrodene berører hverandre direkte, er det en mikroporøs separator som bare tillater ionene og ikke elektrodepartiklene å migrere fra den ene siden til den andre.

Spenning og ladetilstand[rediger | rediger kilde]

Spenningen til en enkelt LiPo-celle avhenger av kjemien og varierer fra ca. 4,2 V (fulladet) til ca. 2,7–3,0 V (helt utladet), der den nominelle spenningen er 3,6 eller 3,7 volt (omtrent midtverdien av høyeste og laveste verdi). For celler basert på litiummetalloksider (for eksempel LiCoO2); dette sammenlignes med 1,8–2,0 V (utladet) til 3,6–3,8 V (ladet) for de som er basert på litium-jern-fosfat (LiFePO4).

De nøyaktige spenningsklassifiseringene bør spesifiseres i produktdatabladene, med den forståelse at cellene skal beskyttes av en elektronisk krets som ikke tillater dem å overbelaste eller overutladning under bruk.

LiPo-batteripakker, med celler koblet i serie og parallelle, har separate pin-outs for hver celle. En spesiallader kan overvåke ladningen per celle, slik at alle celler blir brakt til samme ladetilstand (SOC).

Bruk av trykk på LiPo-celler[rediger | rediger kilde]

Et eksperimentelt litiumionpolymerbatteri laget av Lockheed-Martin for NASA

I motsetning til litiumion-sylindriske og prismatiske celler, som har en stiv metallhylse, har LiPo-celler en fleksibel, folie-type (polymerlaminat) hylse, så de er relativt ubundet.

Å være lett er en fordel når applikasjonen krever minimumsvekt, som i tilfelle radiostyrte fly. Imidlertid er det fastslått at moderat trykk på lagstabelen som komponerer cellen resulterer i økt kapasitetsretensjon, fordi kontakten mellom komponentene maksimeres og delaminering og deformasjon forhindres, noe som er forbundet med økning av celleimpedans og nedbrytning.[9][10]

Sikkerhet[rediger | rediger kilde]

Apple iPhone 3GS litiumionbatteri, som har utvidet seg på grunn av kortslutningsfeil.

LiPo-celler påvirkes av de samme problemene som andre litiumionceller. Dette betyr at overladning, overutladning, over temperatur, kortslutning, knusing og spikergjennomtrengning alle kan resultere i en katastrofal feil, inkludert posesprengning, elektrolyttlekkasje og brann.[11]

Alle Li-ion-celler ekspanderer ved høye nivåer av ladningstilstand (SOC) eller overladning på grunn av lett fordampning av elektrolytten. Dette kan resultere i delaminering, og dermed dårlig kontakt med de indre lagene i cellen, som igjen gir redusert pålitelighet og den totale sykluslevetiden til cellen.[9] Dette er veldig merkbart for LiPos, som synlig kan blåses opp på grunn av mangel på en hard hylse som inneholder ekspansjonen.

Kilder[rediger | rediger kilde]

  1. ^ Scrosati, Bruno (2013). Lithium Batteries : Advanced Technologies and Applications. Hoboken: Wiley. s. 44. ISBN 978-1-118-61539-3. OCLC 852757359. 
  2. ^ «The 25th Anniversary of the Lithium-ion Battery». Kyria (engelsk). 4. november 2016. Besøkt 24. februar 2021. 
  3. ^ «Sony Global - Press Release - Announcement of New Lithium Ion Batteries, Realizing Industry's Highest Level of Energy Density - High-power output cylindrical lithium ion battery fit for high-power supply also announced -». www.sony.net. Besøkt 24. februar 2021. 
  4. ^ «Extended Abstracts». Second International Meeting on Solid Electrolytes. St. Andrews, Scotland. 20–22 September 1978.  Sjekk datoverdier i |dato= (hjelp)
  5. ^ «Poly-ethers as solid electrolytes». Fast ion Transport in Solids. Electrodes and Electrolytes. North Holland Publishers, Amsterdam. 1979. 
  6. ^ a b c Murata, Kazuo; Izuchi, Shuichi; Yoshihisa, Youetsu (3.01.2000). «An overview of the research and development of solid polymer electrolyte batteries». Electrochimica Acta. 45 (8–9): 1501–1508. doi:10.1016/S0013-4686(99)00365-5. 
  7. ^ a b Lithium ion rechargeable batteries. Weinheim: Wiley-VCH. 2009. ISBN 978-3-527-62902-2. OCLC 521036882. 
  8. ^ a b Yoshio, Masaki; Brodd, Ralph J.; Kozawa, Akiya, red. (2009). Lithium-Ion Batteries (engelsk). New York, NY: Springer New York. ISBN 978-0-387-34444-7. doi:10.1007/978-0-387-34445-4. 
  9. ^ a b Vetter, J.; Novák, P.; Wagner, M.R.; Veit, C. (2005). Ageing mechanisms in lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. s. 269–281. Bibcode:2005JPS...147..269V. doi:10.1016/j.jpowsour.2005.01.006. 
  10. ^ Cannarella, John; Arnold, Craig B. (Januar 2014). «Stress evolution and capacity fade in constrained lithium-ion pouch cells». Journal of Power Sources (engelsk). 245: 745–751. doi:10.1016/j.jpowsour.2013.06.165. Besøkt 24. februar 2021. 
  11. ^ «FAA Battery Incident Chart» (PDF) (pressemelding). 11.12.2007. Arkivert fra originalen (PDF) 19. januar 2017. Besøkt 24. februar 2021. «includes incidents of Lithium-Polymer-Air ignition after puncturing.»